/>МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙФЕДЕРАЦИИ
Государственное образовательное учреждение высшего профессиональногообразования
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
СПЕЦИАЛЬНОСТЬ
«Производствостроительных материалов, изделий и конструкций»
КАФЕДРАТЕХНИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ
РЕФЕРАТ
ОСНОВЫТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
Сведения обисполнителе
Сафонова Е.В.
СТ V-2
очноеотделение
Сведения онаучном руководителе
Слесарев М. Ю
доктортехнических наук
профессор
г. Москва 2010 г.
СОДЕРЖАНИЕ
Список принятых сокращений
Введение
1. Общая характеристика объектовизмерений
2. Понятие видов и методов измерений
3. Классификация и общая характеристикасредств измерений
4. Метрологические свойства иметрологические характеристики средств измерений
5. Основы теории и методики измерений
Заключение
Список использованных источников илитературы
СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ
ФВ- физические величины
SI(Systeme Internationai d Unites)
ИСО– Международная комиссия по стандартизации
СИ– средство измерений
СО– свойства веществ
ИП– преобразователи
АП– аналоговые преобразователи
ЦАП– цифроаналоговые преобразователи
АЦП– аналого – цифровые преобразователи
МВИ– методика выполнения измерений
ТР– технический регламентметрология измерение объект
ВВЕДЕНИЕ
Цельюданного реферата является рассмотрение основы технических измерений.
Достижениеобозначенной цели предполагает решение следующего комплекса задач:
· Общаяхарактеристика объектов измерений
· Понятиевидов и методов измерений
· Классификацияи общая характеристика средств измерений
· Метрологическиесвойства и метрологические характеристики средств измерений
· Основытеории и методики измерений;
Предметамиисследования является:
· Общаяхарактеристика объектов измерений
· Понятиевидов и методов измерений
· Классификацияи общая характеристика средств измерений
· Метрологическиесвойства и метрологические характеристики средств измерений
· Основытеории и методики измерений;
Объектомявляются физические величины, методы и средства, виды измерений, методикавыполнения измерений.
Дляосуществления поставленной задачи были использованы следующие общенаучные методыисследования: сравнение, анализ, синтез, системный и функциональный подходы.
Обоснованиеструктуры реферата
Рефератсостоит из следующих пунктов:
Содержание
Списокпринятых сокращений
Введение
Общаяхарактеристика объектов измерений
Понятиевидов и методов измерений
Классификацияи общая характеристика средств измерений
Метрологическиесвойства и метрологические характеристики средств измерений
Основытеории и методики измерений;
Заключение
Списокиспользованных источников и литературы
1. ОБЩАЯХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТОВ ИЗМЕРЕНИЯ
Основнымобъектом измерения в метрологии являются физические величины (ФВ). ФВприменяются для описания материальных систем и объектов (явлений, процессов ит.п.), изучаемых в любых науках (физике, химии и др.)
СовокупностьФВ, образованная в соответствии с принятыми принципами (когда одни величиныпринимаются за независимые, а другие являются их функциями), называетсясистемой физических величин.
Развитиепромышленного производства вызвало необходимость унификации размеров ФВ,создание системы единиц. Первой системой единиц ФВ была метрическая система.Вначале она была введена во Франции (1840), затем в других странах(Великобритании, США, России и пр.). Наряду с метрической системой в этих идругих странах применялись и применяются в настоящее время и национальныесистемы [1, c. 160].
ВРоссийской Федерации применяются в настоящее время единицы величинМеждународной системы единиц, обозначаемой сокращенно SI (начальные буквыфранцузского наименования «Systeme International d’ Unites»). На территориинашей страны SI действует с 1 января 1982 г. в соответствии с ГОСТ 8.417 «ГСИ.Единицы физических величин». В качестве основных единиц приняты:
Ø метр,
Ø килограмм,
Ø секунда,
Ø ампер,
Ø кельвин,
Ø моль и кандела.
ЕдиницыФВ делятся на системные и внесистемные. Системная единица —единица ФВ, входящая в одну из принятых систем. Внесистемная единица — единица ФВ, не входящая ни в одну изпринятых систем.
Внесистемныеединицы по отношению к единицам SI разделяют на четыре вида:
· допускаемые наравне с единицами SI (например, тон на, градус,минута, секунда, литр);
· допускаемые к применению в специальных областях (например,световой год — единица длины в астрономии; диоптрия — единица оптической силы воптике и т.д.);
· временно допускаемые к применению наравне с единицами SI(например, карат — единица массы в ювелирно деле). Эти единицы должны изыматьсяиз употребления соответствии с международными соглашениями;
· изъятые из употребления (например, миллиметр ртутного столба— единица давления; лошадиная сила — едница мощности и некоторые другие).
Измеряемыевеличины имеют качественную и количественнуюхарактеристики.
Формализованнымотражением качественного различия измеряемых величин является их размерность.Согласно международному стандарту ИСО размерность обозначается символом dim.Размерность основных величин —длины, массы и времени — обозначаетсясоответствующими заглавными буквами:
dim l =L; dim m = М; dim t=T
Размерностьпроизводной величины выражается через размерность основных величин с помощьюстепенного одночлена:
dim X = La *Мb* Тc (1)
гдеL, М, Т — размерности соответствующих основныхфизических величин; а,b,c — показатели размерности (показатели степени, в которуювозведены размерности основных величин).
Каждыйпоказатель размерности может быть положительным или отрицательным, целым илидробным, нулем, ели все показатели размерности равны нулю, то величина называетсябезразмерной. Она может быть относительной, определяемой как отношениеодноименных величин (например, относительная диэлектрическая проницаемость) и логарифмической,определяемой как логарифм относительной величины (например, логарифм отношениямощностей и напряжений).
Количественнойхарактеристикой измеряемой величины служит ее размер. Получение информации о размере физической илинефизической величины является содержанием любого измерения.
Простейшийспособ получения информации, который дозволяет составить некотороепредставление о размере измеряемой величины, заключается в сравнении егос другим по принципу «что больше (меньше)?»или «что лучше (хуже)?».При этом число сравниваемых между собой размеров может бытьдостаточно большим. Расположенные в Порядке возрастания или убывания размерыизмеряемых величин образуют шкалы порядка. Операциярасстановки размеров в порядке их возрастания или убывания с целью полученияизмерительной информации по шкале порядка называется ранжированием. Для обеспечения измерений по шкале порядка некоторые точки на ней можнозафиксировать вкачестве опорных (реперных). Точкам шкалы могут быть присвоеныцифры, часто называемые баллами. Знания, например, оценивают по четырехбалльной реперной шкале, имеющей следующий вид:неудовлетворительно, удовлетворительно, хорошо, отлично. По реперным шкалам измеряютсятвердость минералов, чувствительность пленок и другие величины (интенсивностьземлетрясений измеряется по 12-балльной шкале, называемой международнойсейсмической шкалой).
Недостаткомреперных шкал является неопределенность интервалов между реперными точками.Например, по шкале твердости, в которой одна крайняя точка соответствуетнаиболее твердому минералу — алмазу, а другая наиболее мягкому — тальку, нельзясделать заключение о соотношении эталонных материалов по твердости. Так, еслитвердость алмаза по шкале 10, а кварца — семь, то это не означает, что первыйтверже второго в 1,4 раза. Определение твердости путем вдавливания алмазнойпирамиды (метод Хрущева) показывает, что твердость алмаза — 10 060, а кварца —1120, т.е. в девять раз больше.
Болеесовершенна в этом отношении шкала интервалов. Примером ееможет служить шкала измерения времени, которая разбита на крупные интервалы(годы), равные периоду обращения Земли вокруг Солнца; на более мелкие (сутки),равные периоду обращения Земли вокруг своей оси. По шкале интервалов можносудить не только о том, что один размер больше другого, но и том, насколько больше. Однако по шкале интервалов нельзяоценить, во сколько раз один размербольше другого. Это обусловлено тем, что на шкале интервалов известен толькомасштаб, а начало отсчета может быть выбрано произвольно.
Наиболеесовершенной является шкала отношений. Примером ее может служить температурная шкала Кельвина. В ней заначало отсчета принят абсолютный нуль температуры, при котором прекращаетсятепловое движение молекул; более низкой температуры быть не может. Второй реперной точкой служит температура таяния льда. По шкале Цельсия интервал между этими реперами равен 273,16оСПо шкале отношений можно определить не только, насколько один размер больше или меньше другого, но и во сколько раз он больше или меньше.
В зависимостиот того, на какие интервалы разбита шкала, один и тот жеразмер представляется по-разному. Например, длинаперемещения некоторого тела на 1 м может бытьпредставлена как L = 1 м = 100см = 1000 мм. Отмеченные три варианта являются значениямиизмеряемой величины оценками размера величины в виде некоторого числа принятыхдля нее единиц. Входящее в него отвлеченное число называется числовымзначением. В приведенном примере это 1, 100, 1000.
Значениевеличины получают в результате ее измерения или вычисления в соответствии с основным уравнением измерения
Q=X[Q], (2)
где [Q] — значениевеличины; X — числовоезначение измеряемой величины в принятой единице; Q — выбраннаядля измерения единица.
Допустим, измеряется длина отрезкапрямой в 10 см [С помощьюлинейки, имеющей деления в сантиметрах и миллиметрах. Для данного случая Q1=10 см при X1 = 10 и Q1= 1 см; Q2 =100 мм при X, — 100 и Q2= Q1 так как 10 см = 100 мм. Применениеразличных единиц (1 см и 1 мм) не привело к изменениючислового значения результата измерений.
2. ПОНЯТИЕВИДОВ И МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЙ
Цельизмерения — получение значения этой величины в форме, наиболее удобной дляпользования. С помощью измерительного прибора сравнивают размер величины,информация о котором преобразуется в перемещение указателя, с единицей,хранимой шкалой этого прибора.
Измерения могут быть классифицированы:
1) по числу измерений в ряду измерений —однократные, многократные (при четырехизмерениях и более) ;
2)характеру изменения получаемой информации — статические (измерение неизменной во времени физической величины,например измерение длины детали при нормальной температуре или измерениеразмеров земельного участка), динамические (измерениеизменяющейся поразмеру физической величины, например измерение переменного напряженияэлектрического тока, измерение расстояния до уровня земли со снижающегосясамолета), статистические (измерения величины, значениекоторой может рассматриваться непостоянным в течение времени ] измерения,например шумовые сигналы);
3) способу получениярезультатов измерений — абсолютные (измерение, основанное на прямыхизмерениях величин и (или) использовании значений физических констант, напримеризмерение силы F основано на измерении основнойвеличины массы m и использовании физическомпостоянной — ускорения свободного падения g и относительные (измерение отношения величины к одноименной величине,выполняющей роль единицы);
4) способу получения информации(по виду) — прямые (измерение, при котором искомоезначение физической величины получают непосредственно от СИ, например измерениемассы на весах, длины детали микрометром), косвенные ( измерение, при котором искомое значение величины определяют наосновании результатов прямых измерений других физических величин, функциональносвязанных с искомой величиной, например определение твердости (НВ) металловпутем вдавливания стального шарика определенного диаметра (D) с определеннойнагрузкой (Р) и получения при этом определенной глубины отпечатка (h: НВ = P/(πD х h));
5) способу комбинированияизмеряемых величин — совокупные (искомое значение определяютрешением системы уравнений по результатам измерений нескольких однородныхвеличин (например, значение массы отдельных гирь набора определяют поизвестному значению массы одной из гирь и результатам измерений массы различныхсочетаний гирь)), совместные (проводимые одновременно измерениядвух или нескольких неоднородных величин для определения зависимости между ними(например, коэффициент загрузки склада определяется путем измерения массытоваров и занимаемой ими полезной складской площади));
5) по характеристике точности — равноточные (рядизмерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности СИ и в однихи тех же условиях), неравноточные (ряд измерений, выполненныхнесколько различными по Точности СИ и (или) в несколько разных условиях).
Метод измерений — прием илисовокупность приемов сравнения измеряемой величины с ее единицей в соответствиис реализованным принципом измерений.
Методы измерений классифицируют понескольким признакам:
По общим приемам получениярезультатов измерений различают:
1) прямой метод измерений;
2) косвенный методизмерений.
Первый реализуется припрямом измерении, второй — при косвенном измерении (такие измерения описаны выше)[1, c. 164-165].
По условиям измеренияразличают контактный и бесконтактный методы измерений.
Контактный метод измерений основанна том, что чувствительный элемент прибора приводится в контакт с объектом измерения(измерение температуры тела термометром). Бесконтактный метод измерений основанна том, что чувствительный элемент прибора не приводится в контакт объектом измерения(измерение расстояния до объекта радиолокатором, измерение температуры вдоменной печи пирометром).
Исходя из способа сравненияизмеряемой величины с ее единицей различают методы непосредственнойоценки и сравнения с мерой (таблица 1)
МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙМетод Сущность Примеры применения 1.Непосрдственной оценки Значение величины определяется по отсчетному устройству Измерение давления пружинным манометром, массы-на весах, силы электрического тока-амперметром 2.Сравнение с мерой Сравнение измеряемой величины с воспроизводимой мерой Измерение массы на рычажных весах с уравновешиванием гирей 2.1.Нулевой Результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводят до нуля Измерение электрического сопротивления электрическим мостом 2.2.Дифференциальный Измерение разницы измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой Измерения, выполняемые при проверке мер длины сравнением с образцовой мерой на компараторе.(компаратор-средство сравнения, предназначенное для сличения мер однородных величин) 2.3.Замещения Действие измеряемой величины замещается образцовой Взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашу весов (метод Борда) 2.4.Совпадений При измерении разности сравниваемых величин используется совпадение отметок шкал или периодических сигналов Измерение длины-штангенциркулем, частоты вращения-стробоскопом 2.5.Противопоставления Измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения Измерение массы на равноплечих весах с помещением измеряемой массы и уровновешиванием ее гирь на двух чашках весов
3. КЛАССИФИКАЦИЯИ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ
Средством измерений (СИ) называют техническое средство (или ихкомплекс), используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологическиехарактеристики. В отличие от таких технических средств, как индикаторы,предназначенных для обнаружения физических свойств (компас, лакмусовая бумага,осветительная электрическая лампочка), СИ позволяют не только обнаружитьфизическую величину, но и измерить ее, т.е. сопоставить неизвестный размер сизвестным. Если физическая величина известного размера есть в наличии, то онанепосредственно используется для сравнения (измерение плоского углатранспортиром, массы — с помощью весов с гирями). Если же физической величиныизвестного размера в наличии нет, то сравнивается реакция (отклик) прибора навоздействие измеряемой величины с проявившейся ранее реакцией на воздействиетой же величины, но известного размера (измерение силы тока амперметром). Дляоблегчения сравнения еще на стадии изготовления прибора отклик на известноевоздействие фиксируют на кале отсчетного устройства, после чего наносят нашкалу деления в кратном и дольном отношении. Описанная процедура называетсяградуировкой шкалы. При измерении она позволяет по положению указателя получатьрезультат сравнением непосредственно по шкале отношений. Итак, СИ (за исключением некоторых мер — гирь, линеек) в простейшем случаепроизводят две операции: обнаружение физической величины; сравнениенеизвестного размера с известным или сравнение откликов на воздействие известного и неизвестного размеров.
Другими отличительными признаками СИ являются, во-первых,«умение» хранить (или воспроизводить) единицу физической величины; во-вторых,неизменность размера хранимой единицы. Если же размер единицы в процессе измерений изменяется более, чем установлено нормами, то сПомощью такого средства невозможно получить результат с требуемой точностью. Отсюда следует, что измерять можно только тогда,когда техническое средство, предназначенное для этой цели, может хранитьединицу, достаточно неизменную по размеру (во времени).
СИ можно классифицировать по двум признакам:
· конструктивное исполнение;
· метрологическое назначение.
По конструктивному исполнению СИ подразделяют:
1. на меры,
2. измерительные преобразователи;
3. измерительные приборы,
4. измерительные установки,
5. измерительные системы,
6. технические системы и устройства сизмерительными функциями.
Мерывеличины — СИ, предназначенные для воспроизведенияи (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров.Различают меры: однозначные (гиря 1 кг, калибр, конденсатор постоянной емкости);многозначные (масштабная линейка, конденсатор переменной емкости); наборы мер(набор гирь, набор калибров). Набор мер, конструктивно объединенных в единоеустройство, в котором имеются приспособления для их соединения в различныхкомбинациях, называется магазином мер. Примером такого набора может бытьмагазин электрических сопротивлений, магазин индуктивностей. Сравнение с меройвыполняют с помощью специальных технических средств — компараторов (рычажныевесы, измерительный мост и т.д.).
К однозначным мерам можно отнести стандартныеобразцы (СО). Существуют стандартные образцысостава и стандартные образцы свойств.
СО состава вещества (материала) — стандартный образец сустановленными значениями величин, характеризующих содержание определенныхкомпонентов в веществе (материале).
СОсвойств веществ (материалов) — стандартный обраец с установленными значениямивеличин, характеризующих физические, химические, биологические и другиесвойства.
НовыеСО допускаются к использованию при условии прохождения ими метрологическойаттестации. Указанная процедура — это признание этой меры, узаконенной дляприменения на основании исследования СО. Метрологическая аттестация проводитсяорганами метрологической службы.
Взависимости от уровня признания (утверждения) и сферы применения различаюткатегории СО — межгосударственные, государственные, отраслевые и СО предприятия(организации).
Впрактике метрологическими службами используются СО разной категории длявыполнения различных задач.
Измерительныепреобразователи (ИП) — СИ, служащие для преобразования измеряемой величины вдругую величину или сигнал измерительной информации, удобный для обработки,хранения, дальнейших преобразований.
По характеру преобразования различаютаналоговые (АП), цифроаналоговые (ЦАП), аналого-цифровые (АЦП) преобразователи.По месту в измерительной цепи различают первичные (ИП, на которыйнепосредственно воздействует измеряемая физическая величина) и промежуточные(ИП, занимающий место в измерительной цепи после первичного ИП) преобразователи
Конструктивно обособленный первичный ИП,от которого поступают сигналы измерительной информации, является датчиком.Датчик может быть вынесен на значительное расстояние от СИ, принимающего егосигналы. Например, датчики запущенного метеорологического радиозонда передаютинформацию о температуре, давлении, влажности и других параметрах атмосферы.
Если преобразователи не входят визмерительную цепь и их метрологические свойства не нормированы, то они не относятся кизмерительным. Таковы, например, силовой трансформатор в радиоаппаратуре,термопара в термоэлектрическом холодильнике.
Измерительный прибор — СИ, предназначенное для получения значений измеряемой физической величиныустановленном диапазоне. Прибор, как правило, содержит устройство дляпреобразования измеряемой величины и ее индикации в форме, наиболее доступнойдля восприятии. Во многих случаях устройство для индикации имеет шкалу) сострелкой или другим устройством, диаграмму с пером или цифроуказатель, спомощью которых может быть произведен отсчет или регистрация значенийфизический величины. В случае сопряжения прибора с мини-ЭВМ отсчет можетпроизводиться с помощью дисплея.
По степени индикации значений измеряемойвеличины измерительные приборы подразделяют на показывающие и регистрирующие.Показывающий прибор допускает только отсчитывание показаний измеряемой величины(микрометр, аналоговый или цифровой вольтметр). В регистрирующем приборепредусмотрена регистрация показаний — в форме диаграммы, путем печатанияпоказаний (термограф или, например, измерительный прибор, сопряженный с ЭВМ,дисплеем и устройством для печатания показаний).
Измерительная установка — совокупность функциональнообъединенных элементов —мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств,предназначенных для измерения одной или нескольких физических величин и расположенных в одном месте. Примером являютсяустановка для измерения удельного сопротивления электротехнических материалов,установка для испытаний магнитных материалов. Измерительную установку,предназначенную для испытаний каких-либо изделий, иногда называют испытательнымстендом.
Измерительная система — совокупность функциональнообъединенных элементов — мер,измерительных приборов, Измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещенных вразных точках контролируемого пространства с целью измерений одной или несколькихфизических величин, свойственных этому пространству. Примером может служитьрадионавигационная система Для определения местоположения судов, состоящая изряда измерительных комплексов, разнесенных в пространстве на значительномрасстоянии друг от друга.
Технические системы и устройства с измерительными функциями— технические системы и устройства, которые наряду с основнымивыполняют и измерительные функции. Они имеют один или несколько измерительныхканалов.
Примерамитаких систем являются игровые автоматы, диагностическое оборудование.
Пометрологическому назначению все СИ подразделяются на два вида: рабочие СИ иэталоны.
Рабочие СИ (РСИ) предназначены для проведениятехнических измерений. По условиям применения они могут быть: 1) лабораторными,используемыми при научных исследованиях, проектировании технических устройств,медицинских измерениях; 2) производственными, используемыми для контроляхарактеристик технологических процессов, контроля качества готовой продукции,контроля отпуска товаров; 3) полевыми, используемыми непосредственно приэксплуатации таких технических устройств как самолеты, автомобили, речные иморские суда и др.
Ккаждому виду РСИ предъявляются специфические бования:
· к лабораторным — повышенная точность и чувствительность;
· к производственным — повышенная стойкость к ударно-вибрационнымнагрузкам, высоким и низким температурам;
· к полевым — повышенная стабильность в углов резкого перепадатемператур, высокой влажности.
Эталоны являются высокоточными СИ, а поэтомупользуются для проведения метрологических измерений в качестве средств передачиинформации о размере единицы Размер единицы передается «сверху вниз», от болееточных СИ к менее точным «по цепочке»:первичный эталон -вторичный эталон — рабочий эталон 0-го разряда — рабочий эталон 1-го разряда… — рабочеесредство измерений.
Передачаразмера осуществляется в процессе поверки СИ. Целью поверки являетсяустановление пригодности СИ к применению.
СоподчинениеСИ, участвующих в передаче размера единицы от эталона к РСИ, устанавливается вповерочных схемах СИ .
Эталоннаябаза в дальнейшем будет развиваться в количественном и главным образом вкачественном отношении. Перспективно создание многофункциональных эталонов, т.е. эталонов, воспроизводящих на единой конструктивной и метрологической основе не одну, а несколько единиц физическихвеличин или одну единицу, но в широком диапазоне измерений. Так,метрологические институты страны создают единый эталон времени, частоты идлины, который позволит, кстати, уменьшить погрешность воспроизведения единицыдлины до 1 • 10-11
Если технический уровень первичныхэталонов в России агодаря успехам науки и энтузиазму ученых можно оценить как вполне удовлетворительный, то состояние парка СИ,находящихся в практическом обращении, прежде всего рабочих эталонов и РСИ,внушает тревогу. Если в 1980-х гг. к обновления отечественной измерительнойтехники, как правило, составлялпять-шесть лет (для сравнения: в США и Японии — не более трех лет), тонаблюдаемый сейчас регресс в области отечественного приборостроения еще большеувеличил сроки обновления рабочих эталонов и РСИ, что ведет значительному старению измерительной техники.
Другойпроблемой отечественных производителей СИ является высокая стоимость их разработок в сравнении с зарубежнымифирмами. Для преодоления традиционного отстаивания необходимотакже в отечественных приборах предусматривать: высокую степень автоматизациина базе микропроцессорной технологии, быстродействие, высокую надежность,пониженные массу, габариты и энергопотребление, высокий уровень эстетики и эргономики.
МногообразиеСИ обусловливает необходимость применения специальных мер по обеспечениюединства измерений.
4. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕСВОЙСТВА И МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАТЕРИСТИКИ СРЕДСВ ИЗМЕРЕНИЙ
Метрологические свойства СИ — это свойства,влияющие на результат измерений и его погрешность. Показатели метрологическихсвойств являются их количественной характеристикой и называются метрологическими характеристиками.
Метрологическиехарактеристики, устанавливаемые нормативным документом, называют нормируемымиметрологическими характеристиками.
Всеметрологические свойства СИ можно разделить на две группы:
1) свойства,определяющие область применения СИ;
2) свойства,определяющие точность (правильность и прецизионность) результатов измерения.
Косновным метрологическим характеристикам, определяющим свойства первой группы,относятся диапазон измерений и порог чувствительности.
Диапазон измерений — область значений величины, в пределахкоторых нормированы допускаемые пределы погрешности. Значения величины,ограничивающие диапазон измерений снизу или сверху (слева и справа), называютсоответственно нижним или верхним пределом измерений.
Порог чувствительности — наименьшееизменение измеряемой величины, которое вызывает заметное изменение выходногосигнала. Например, если порог чувствительности весов равен 10 мг, то этоозначает, что заметное перемещение стрелки весов достигается при таком малом изменениимассы, как 10 мг.
Кметрологическим свойствам второй группы относя два главных свойства точности:правильность и прецизиность результатов.
Кметрологическим характеристикам, определяю точность относятся погрешности СИ.
Погрешностьсредства измерений — это разность между показаниями СИ и действительнымзначением измеряемой величины. Поскольку истинное значение физической величинынеизвестно, то на практике пользуются ее действительным значением. Для рабочегоСИ за действительное значение принимают показания рабочего эталона низшегоразряда (допустим, 4-го), для эталона 4-го разряда, в свою очередь, — значениевеличины, полученное с помощью рабочего эталона 3-го разряда. Таким образом, забазу для сравнения принимают значение СИ, которое является в поверочной схемевышестоящим по отношению к подчиненному СИ, подлежащему поверке:
∆Хп= Хп — Х0 (3)
где∆Хп— погрешность поверяемого СИ; Хп — значение той же самой величины,найденное с помощью поверяемого СИ; Х0— значениеСИ, принятое за базу для сравнения, т.е. действительное значение.
ПогрешностиСИ могут быть классифицированы по ряду признаков, в частности:
· по способувыражения — абсолютные, относительные;
· по характерупроявления — систематические, случайные;
· по отношению кусловиям применения — основные, дополнительные.
Наибольшеераспространение получили метрологические свойства, связанные с первойгруппировкой — с абсолютными и относительными погрешностями. Определяемая поформуле (3) ∆Хп является абсолютной погрешностью. Однако в большей степени точность СИхарактеризует относительная погрешность (δ), т.е. выраженное в процентахотношение абсолютной погрешности к действительному значению величины,измеряемой или воспроизводимой данным СИ:
δ=100*∆Хп/Хо
Точность может быть выражена обратной величиной относительнойпогрешности — 1/ δ. Если погрешность δ = 0,1%, или 0,001=10-3, то точность равна 103.
В стандартах нормируют характеристики, связанные с другимипогрешностями.
Систематическаяпогрешность — составляющая погрешности результатаизмерения, остающаяся постоянной (или же закономерно изменяющейся) приповторных измерениях одной и той же величины. Ее примером может бытьпогрешность градуировки, в частности погрешность показаний прибора с круговойшкалой и стрелкой, если ось последней смещена на некоторую величинуотносительно центра шкалы. Если эта погрешность известна, то ее исключают изрезультатов разными способами, в частности введением поправок. При химическоманализе систематическая погрешность проявляется в случаях, когда методизмерений не позволяет полностью выделить элемент или когда наличие одногоэлемента мешает определению другого.
При нормировании систематической составляющей погрешностиСИ устанавливают пределы допускаемой систематической погрешности СИ конкретного типа — D.
Величинасистематической погрешности определяет такоеметрологическое свойство, как правильность измерений СИ, — это перваясоставляющая точности.
Случайнаяпогрешность — составляющая погрешности результатаизмерения, изменяющаяся случайным образом (по знаку и значению) в серииповторных измерений одного и того же размера величины с одинаковой тщательностью. В появленииэтого вида погрешности не наблюдается и какой-либо закономерности. Онинеизбежны и неустранимы, всегда присутствуют в результатах измерения. Примногократном и достаточно точном измерении они порождают рассеяние результатов.
Характеристиками рассеяния являются средняя арифметическаяпогрешность, средняя квадратическая погрешность, размах результатов измерений.Поскольку рассеяние носит вероятностный характер, то при указании на значенияслучайной погрешности задают вероятность.
Величина случайной погрешности определяет вторуюсоставляющую точности – прецизионность.
Оценка погрешности измерений СИ, используемых дляопределения показателей качества товаров, определяется спецификой примененияпоследних. Например, погрешность измерения цветового тона керамических плитокдля внутренней отделки жилища должна быть по крайней мере на порядок ниже, чемпогрешность измерения аналогичного показателя серийно выпускаемых картин,сделанных цветной фотопечатью. Дело в том, что разнотонность двух наклеенныхрядом на стену кафельных плиток будет бросаться в глаза, тогда какразнотонность отдельных экземпляров одной картины заметно не проявится, так какони используются разрозненно.
Номенклатура нормируемых метрологических характеристик СИопределяется назначением, условиями эксплуатации многими другими факторами. УСИ, применяемых высокоточных измерений, нормируется до десятка и болee метрологических характеристик встандартах технических требований (техническихусловий) и ТУ. Нормы на ровные метрологические характеристики приводятся в эксплуатационной документации на СИ. Учет всех нормируемых характеристикнеобходим при измерениях высокой точности и в метрологической практике. Вповседневной производственной практике широко пользуются обобщеннойхарактеристикой — классом точности.
Классточности СИ — обобщенная характеристика, выражаемаяпределами допускаемых (основной и дополнительной) погрешностей, а также другимихарактеристиками влияющими на точность. Классы точности конкретного типа СИ устанавливают в НД. При этом длякаждого класса точности устанавливают конкретные требования к метрологическимхарактеристикам, в совокупности отражающим уровень точности СИ данного класса.
Класс точности позволяет судить о том, в каких пределахнаходится погрешность измерений этого класса.
5. ОСНОВЫ ТЕОРИИ И МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ
Основнойпостулат метрологии. Выше, при рассмотрении количественной характеристикиизмеряемых величин, упомянуто уравнение измерения, в котором отражена процедура сравнения неизвестногоразмера Q с известным [Q]:Q/[Q] = X В качестве единицы измерения[Q] при измерении величин выступает соответствующая единица Международнойсистемы единиц. Информация о ней заложена либо в градуированной характеристике СИ, либо в разметкешкалы отсчетного устройства, либо взначениивещественной меры. Указанное уравнение является математической модельюизмерения по шкале отношений.
Теоретическиотношение двух размеров должно быть вполне определенным, неслучайным числом. Нопрактически меры сравниваются в условиях множества случайных и неслучайных обстоятельств, точный учет которых невозможен.Поэтому при многократном измерении одной и той же величиныпостоянного размера результат, называемый отсчетом по шкале отношений,получается все время разным. Этоположение, установленное практикой, формулируется в виде аксиомы,являющейся основным постулатом метрологии: отсчет является случайным числом.
Факторы, влияющие на результат измерения (влияющие факторы).При подготовке и проведении высокоточных измерений в метрологическойпрактике учитывают влияние объектаизмерения, субъекта (эксперта или экспериментатора), метода измерения, средства измерения,условий измерения.
Объект измерения должен быть всесторонне изучен. Так, приизмерении плотности вещества должно быть гарантировано отсутствие инородныхвключений, при измерении диметра вала нужно быть уверенным в том, что онкруглый. В зависимостиот характера объекта и цели измерения учитывают (или отвергают) необходимостькорректировки измерений. Например, при измерении площадей сельскохозяйственных угодий пренебрегают кривизной земли,что нельзя делать при измерении поверхности океанов. При измерении периодаобращения Земли вокруг Солнца можно заранее пренебречь его неравномерностью, аможно, наоборот, сделать ее объектом исследования.
Субъект, т.е. оператор, привносит в результатизмерения элемент субъективизма, который по возможности должен быть сведен кминимуму. Он зависит от квалификации оператора, санитарно-гигиенических условийтруда, его психофизиологического состояния, учета эргономических требований привзаимодействии оператора с СИ. Санитарно-гигиенические условия включают такиефакторы, как освещение, уровень шума, чистота воздуха, микроклимат.
Как известно,освещение может быть естественным и искусственным. Наиболее благоприятнымявляется естественное освещение, производительность труда при котором на 10%выше, чем при искусственном. Дневной свет должен быть рассеянным, без бликов.Искусственное освещение помещений должно быть люминесцентным, рассеянным.
Люди снормальным зрением способны различать мелкие предметы лишь при освещенности неменее 50—70 лк. Максимальная острота зрения наступает при освещенности 600—1000лк. В оптимальных условиях продолжительность ясного видения (с хорошейостротой) при непрерывной работе составляет 3 ч. Уровень шума в лабораториях недолжен превышать 40 — 45 дБ.
Важноезначение имеют собранность, настроение, режим труда эксперта. Наибольшаяработоспособность отмечается в утренние и дневные часы — с 8 до 12 и с 14 до17. В период с12до14ч и в вечерние часы работоспособность, как правило,снижается, а в ночную смену она минимальна.
Измерительныеприборы размещают в поле зрения оператора в зоне, ограниченной углами ±30° отоси в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Отсчетные устройства должнырасполагаться перпендикулярно линии зрения оператора. Оптимальное расстояние отшкалы до глаз оператора определяется высотой знака, подлежащего считыванию. Поконтрастности отметки шкал должны на порядок отличаться от фона.
По даннымпрофессора М. Ф. Маликова, в зависимости от индивидуальных особенностейоператоров, связанных с их реакцией,измерительными навыками и т.п., неточность глазомерного отсчета по шкаламизмерительных приборов достигает ±0,1 деления шкалы.
Метод измерений — логическая последовательностьопераций, описанная в общем виде и используемая при выполнении измерений. Оченьчасто измерение одной и той же величины постоянного размера разными методами даетразличные результаты, причем каждый из них имеет cвои недостатки и достоинства.Искусство оператора состоит в том, чтобы соответствующими способами исключить,компенсировать или учесть факторы, искажающие результаты. Если измерение не удаетсявыполнить так, чтобы исключить или компенсировать какой-либо фактор, влияющийна результат, то в последний в ряде случаев вносят поправку.
Поправкимогут быть аддитивными (от лат. «additivus» — прибавляемый) имультипликативными (от лат. «multiplico» — умножаю). Например, для расчетасопротивления измеряют значение электрического тока, протекающего черезрезистор, и падение напряжения на нем. При этом возможны два варианта включениявольтметра и амперметра и соответственно различные аддитивные поправки. В одномслучае из показания амперметра нужно вычесть ток, протекающий через вольтметр,в другом — из показания вольтметра нужно вычесть падение напряжения на амперметре.Другой пример (по учету мультипликативной поправки):при измерении ЭДС вольтметром учитывают сопротивление источника питания путемумножения показания вольтметра на поправочный множитель, опреде-емый расчетнымпутем.
Влияние СИ на измеряемую величину во многих случаях проявляется каквозмущающий фактор. Например, ртутный термометр, опущенный в пробирку сохлажденной жидкостью, подогреваетее и показывает не первоначальную температуру жидкости, а температуру, прикоторой устанавливается термодинамическое равновесие. Другим фактором являетсяинерционность СИ. Некоторые СИ дают постоянно завышенные или постояннозаниженные показания, что может быть результатом дефекта изготовления,некоторой нелинейности преобразования. Эти особенности СИ выявляются при ихметрологическом исследовании. По итогам устанавливается аддитивная илимультипликативная поправка в виде числа или функции, она может задаватьсяграфиком, таблицей или формулой. Например, если вследствие дефекта изготовлениястрелка на шкале удлинений разрывной машины в исходном положенииустанавливается не на нуле, а на делении 5 мм, то все результаты будут иметь систематическуюпогрешность 5 мм, на которую нужно делать аддитивную поправку при подсчете.
Условия измерения как фактор, влияющий на результат,включают температуру окружающей среды, влажность, атмосферное давление,напряжение в сети и многое другое.
Рассмотревфакторы, влияющие на результаты измерений, можно сделать следующие выводы: приподготовке к измерениям они должны по возможности исключаться, в процессеизмерения компенсироваться, а после измерения учитываться.
Учетуказанных факторов предполагает исключение ошибок и внесение поправок кизмеренным величинам.
Появлениеошибок вызвано недостаточной надежностью системы, в которую входят оператор,объект измерения, СИ и окружающая среда. В данной системе могут происходитьотказы аппаратуры, отвлечение внимания человека, описки в записях, сбои ваппаратуре, колебания напряжения в сети.
Приоднократном измерении ошибка может быть выявлена при сопоставлении результата саприорным представлением о нем или путем логического анализа. Измеренияповторяют для устранения причины ошибки.
Примногократном измерении одной и той же величины ошибки проявляются в том, чторезультаты отдельных измерений заметно отличаются от остальных. Если отличиевелико, ошибочный результат необходимо отбросить. При этом руководствуются«правилом трех сигм»: если при многократном измерении сомнительный результатотдельного измерения отличается от среднего больше чем на Зδ ( δ —среднее квадратическое отклонение значения измеряемой величины от среднегозначения), то с вероятностью 0,997 он является ошибочным и его следуетотбросить.
Преждечем обрабатывать ряд измерений, необходимо убедиться в том, что все ониявляются равноточными. Неравноточные измерения обрабатывают с целью получениярезультата только в том случае, когда невозможно получит ряд равноточныхизмерений.
Качествоизмерений является главным фактором производства, базирующегося набыстропротекающих процессах, автоматических процессах, на большом числеизмеряемых величин. Нередко причиной брака продукции становятся неверноназначенные СИ (в первую очередь по точности). Бывает и так, что СИ вовсе неназначаются там, где это необходимо,из-за их отсутствия [1, c. 181-182].
Методика выполнения измерений. Наобеспечение качества измерений направлено применение аттестованных методиквыполнения измерений (МВИ). В 1997 г. начал действовать ГОСТ Р 8.563—96 «ГСИ.Методики выполнения измерений».
Опорнымпонятием точности методов измерений является термин «результат измерений».
Результат измерений — значение характеристики, полученноевыполнением регламентированного метода измерений.
Внормативном документе на метод измерений должно регламентироваться: сколько (одноили несколько) единичных наблюдений должно быть выполнено; способы ихусреднения; способы представления в качестве результата измерений; стандартныепоправки (при необходимости).
Методика выполнения измерений (МВИ) —совокупность операций и правил, выполнение которых обеспечивает получениерезультатов измерений с известной погрешностью. Как очевидно из определения,под МВИ понимают технологический процесс измерений. Методика измеренийреализуется на основе того или иного метода. МВИ — это, как правило,документированная измерительная процедура. МНИ в зависимости от сложности иобласти применения излагают в следующих формах: отдельном документе(рекомендации и т.п.); разделе стандарта: части технического документа (разделеТУ, паспорта).
Аттестация МВИ — процедура установления иподтверждения соответствия МВИ предъявляемым к ней метрологическим требованиям.
Вдокументах (разделах, частях документов), регламентирующих МВИ, в общем случаеуказывают: назначение МВИ; условия измерений; требования к погрешностиизмерений; метод (методы) измерений; требования к СИ (в том числе к стандартным образцам), вспомогательным устройствам, материалам, растворам и пр.; операции при подготовке к выполнению измерений; операции при выполнении измерений; операции обработки и вычислениярезультатов измерений; нормативы, процедуру и периодичность контроляпогрешности результатов выполняемых измерений; требования к квалификацииоператоров, требования к безопасности выполняемых работ.
Приразработке МВИ одни из основных исходных требований — требования к точностиизмерений, которые должны устанавливать, в виде пределов допускаемых значенийхарактеристик, абсолютную и относительную погрешности измерений.
Наиболеераспространенным способом выражения требований кточности измерений являются границы допускаемого интервала, в котором сзаданной вероятностью Р должна находиться погрешность измерений.
Еслиграница симметрична, то перед их числовым значением ставятся знаки «±». Еслизаданное значение вероятности равно единице (Р = 1), то в качестве требований к точности измеренийиспользуются пределы допускаемых значений погрешности измерений. При этомвероятность Р = 1 не; указывается.
Ответственнымэтапом является оценивание погрешности измерений путем анализа возможныхисточников и составляющих погрешности измерений: методических составляющих(например, погрешности, возникающие приотборе и приготовлении проб), инструментальных составляющих (допустим,погрешности, вызываемые ограничения разрешающей способностью СИ); погрешности,вносимые оператором (субъективные погрешности).
Важнойзадачей нормативного обеспечения МВИ является создание методик поверкиконкретных СИ и методик калибровки конкретных СИ.
ВГОСТ Р 8.563 по МВИ были внесены в 2002 г. изменения, направленные на включение в него основных положениймеждународного стандарта ИСО 5725:1994 «Точность» (правильность и прецизионность)методов и результатов измерений». Указанный стандарт, в частности, устанавливаяметодику сопоставления результатов, полученных в разноевремя, в разных лабораториях,разными методами. Подобные сопоставления очень актуальны для аккредитации испытательныхлабораторий.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Входе проведенного исследования было рассмотрены основы технических измерений.Для достижения цели исследования был решен следующий комплекс задач:
· Общаяхарактеристика объектов измерений
· Понятиевидов и методов измерений
· Классификацияи общая характеристика средств измерений
· Метрологическиесвойства и метрологические характеристики средств измерений
· Основытеории и методики измерений;
Основныецели и задачи были достигнуты.
Полученыкомплексные знания по оформлению научных статей и рефератов. Так же научиласьработать с ГОСТ 2.105-95 и методическими рекомендациями.
Основнойзадачей федеральных органов исполнительной власти, в первую очередьРостехрегулирования как национального органа по метрологии, являетсяорганизация выполнения на практике положений ФЗ об обеспечении единстваизмерений. Реализация его положения требует пересмотра всего массиванормативных документов в области метрологии.
Всвязи с освоением новых, так называемых критических технологий (включаянанотехнологии) резко возрастают требования к точности измерений и, какследствие, к качеству эталонной базы. Предстоит решить комплекс задачметрологического обеспечения разработки и освоения критических технологий.
Возрастаетроль метрологии в разработке технических регламентов, поскольку доказательнаябаза внедрения и соблюдения ТР состоит преимущественно из документов,регламентирующих методики выполнения измерений, прослеживаемых к современнымэталонам.
Оченьважным направлением деятельности Ростехрегулирования является участие ввыполнении федеральных целевых программ. Речь идет о метрологическом«сопровождении» двух программ:
1) «Глобальнаянавигационная спутниковая система (ГЛОНАСС)
2) «Созданиеи развитие нанотехнологий»
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ
1. ЛифицИ.М. Стандартизация, метрология и подтверждение соответствия: учебник. 9-еизд., перераб и доп. — М.: Издательство Юрайт,2010.-315 с.
2. ЧижиковаТ.М. Стандартизация, сертификация, метрология: Учебное пособие. – М.: Колос,2002. – 156 с.
3. .КрыловаГ.Д. Основы стандартизации, сертификации, метрологии: Учебник для вузов. 2-еизд., перераб. и доп. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001. – 711с.