Лекция № 2. Основные термины и понятия метрологии

 

Слово "метрология" образовано из двух греческих слов: «метрон» - мера и логос - учение. Дословный перевод слова "метрология" - учение о мерах. Долгое время метрология оставалась в основном описательной наукой о различных мерах и соотношениях между ними. С конца прошлого века благодаря прогрессу физических наук метрология получила существенное развитие. Большую роль в становлении современной метрологии как одной из наук физического цикла сыграл Д. И. Менделеев, руководивший отечественной метрологией в период 1892 - 1907 гг.

Метрология, в ее современном понимании, - наука об измерениях, методах, средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Под единством измерений понимают такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в стандартизированных единицах и погрешности измерений известны с заданной вероятностью. Единство измерений необходимо для того, чтобы можно было сопоставить результаты измерений, выполненных в разных местах, в разное время, с использованием разных методов и средств измерений.

Точность измерений характеризуется близостью их результатов к истинному значению измеряемой величины. Так как абсолютно точных приборов не существует, то о точности приборов можно говорить лишь в терминах теории вероятности и математической статистики. Важнейшей задачей метрологии является усовершенствованием эталонов, разработкой новых методов точных измерений, обеспечение единства и необходимой точности измерений.

Метрология включает в себя следующие разделы:

1. Теоретическая метрология, где рассматриваются общие во­просы теории измерения.

2. Прикладная метрология изучает вопросы практического применения результатов теоретических исследований

3. Законодательная метрология рассматривает комплекс пра­вил, норм и требований регламентируемых государствен­ными органами для обеспечения единства измерений и еди­нообразия средств измерений.

 

Под измерением понимают процесс получения количественной информации о значении какой-либо физической величины опытным путем с помощью средств измерения.

Физическая величина - это свойство, общее в качественном отношении многим физическим объектам (системам, их состояниям и происходящим в них процессам), но в количественном отношении ин­дивидуальное для каждого объекта.

Единица физической величины - это физическая величина, раз­меру которой присвоено числовое значение 1. Размер физической ве­личины - количественное содержание в данном объекте свойства, со­ответствующего понятию "физическая величина".

Для каждой физической величины должна быть установлена единица измерения. Все физические величины связаны между собой зависимостями. Их совокупность можно рассматривать как систему физических величин. При этом если выбирать несколько физических величин за основные, то другие физические величины можно через них выразить.

Все единицы измерения подразделяют на основные и производ­ные (полученные из основных). Выражение, отражающие связь физической величины с основ­ными физическими величинами системы называется размерностью физической величины.

Некоторые понятия теории размерностей

Операцию определения размерности физической величины x обозначим соответствующей заглавной буквой

Теория размерностей основывается на следующих утверждения (теоремах)

1. Размерности левой и правой части всегда должны совпадать, т.е.

если есть некое выражение вида

,

то

.

2. Алгебра размерностей мультикативна, т.е. для размерностей определена операция умножения, причем операция умножения нескольких величин равна произведению их размерностей

,

.

3. Размерность частного от деления двух величин равна отношению их размерностей

,

.

4. Размерность величины возведенной в степень равна размерности величины возведенной в соответствующую степень

.

Операции сложения и вычитания размерностей не определены.

Из положений теории размерности следует, что размерность одной физической величины, связанной некими соотношениями с другими физическими величинами (т.е. для величины входящей в состав системы физических величин), может быть выражена через размерности этих величин.

Размерность физической величины является её качественной характеристикой.

Основные единицы СИ с указанием сокращенных обозначений их размерностей:

Величина	Единица измерения	Размерность (обозн)
Длина Масса Время Ток Температура Сила света Количество вещества Доплнительно: Плоский угол Телесный угол	метр килограмм секунда ампер кельвин кандела моль   радиан стерадиан	м m кг kg с s А А К К кд cd моль mol рад rad ср cr

 

Остальные единицы измерения являются произвольными.

Производная единица измерения называется когерентной, если связана с другими единицами измерения уравнением, в котором ко­эффициенты пропорциональности равны единице. Система единиц СИ является когерентной.

*

 

Эталономединицы физической величины называют средство изме­рений (или комплекс средств измерений), обеспечивающее воспроизве­дение и (или) хранение единицы с целью передачи её размера ниже­стоящим по поверочной схеме средствам измерений, выполненное по особой спецификации и официально утвержденное в установленном по­рядке в качестве эталона.

Различают первичный, вторичный, специальный, государственный эталоны, эталон-свидетель, эталон-копию, эталон сравнения и рабо­чий эталон.

Первичный эталон обеспечивает воспроизведение единицы с наи­высшей в стране (по сравнению с другими эталонами той же единицы) точностью. Первичный эталон основной единицы должен воспроизводить единицу в соответствии с её определением.

Значение вторичного эталона устанавливают по первичному этало­ну.

Специальный эталон обеспечивает воспроизведение единицы в особых условиях и заменяющий для этих условий первичный эталон.

Государственный эталон – первичный или специальный эталон, официально утвержденный в качестве исходного для страны.

Эталон-свидетель – вторичной эталон, предназначенный для про­верки сохранности государственного эталона и для замены его в слу­чае порчи или утраты.

Эталон-копия – вторичный эталон, предназначенный для переда­чи размеров единицы рабочим эталонам.

Эталон сравнения – вторичный эталон, применяемый для сличения эталонов, которые по тем или иным причинам не удается непосредст­венно сличить.

Рабочий эталон применяется для передачи размера единицы образцовым средствам измерений высшей точности и в отдельных случа­ях – наиболее точным рабочим средствам измерений.

Неправильно называть наиболее точные средства измерений, при­меняемые на предприятиях для поверок, эталонами, эталонными средст­вами измерений. Для них установлены и широко применяются наимено­вания "образцовые средства измерений”.

Средства измерений - это технические средства, используемые для целей измерений и имеющие нормированные метрологические характеристики. При этом значение физической величины, отсчитываемое по

отсчетному устройству средства измерения, строго соответствует определенному количеству физических единиц, принятых в качестве единиц измерения.

К средствам измерения относятся: мера, измерительные приборы, измерительные преобразователи, измерительные системы, измерительные установки и комплексы.

Мера - это средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера. Меры бывают однозначные и многозначные. К однозначным мерам относятся, например, катушки сопротивления, катушки индуктивности, нормальные элементы и др.; к многозначным - магазины сопротивлений, конденсаторы переменной емкости, калибраторы напряжения и тока и др.

Измерительный прибор - средство измерений, предназначенное для выдачи количественной информации об измеряемой величине в доступной для восприятия форме.

По способу отсчета значений измеряемой величины измерительные приборы делятся на аналоговые и цифровые. В аналоговых измерительных приборах значение измеряемой величины определяется непосредственно по шкале со стрелкой или другими указателями и изменяется непрерывно, т.е. принимает бесконечное количество значений в пределах диапазона измерений. В цифровых измерительных приборах значение измеряемой величины определяется по цифровому индикатору прибора и принимает конечное число значений в пределах диапазона измерений.

Измерительные приборы разделяют на показывающие и регистрирующие. Показывающие измерительные приборы предназначены для отсчитывания результата измерений в аналоговой или цифровой форме, регистрирующие - для регистрации результата измерения.

Измерительный преобразователь - средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но неподдающейся непосредственному восприятию. К измерительным преобразователям относится делители напряжения, усилители, измерительные трансформаторы и др. Нужно различать измерительные преобразователи и преобразова­тельные элементы сложного прибора. Первые представляют собой средства измерений и имеют нормируемые метрологические свойства, вторые же не имеют самостоятельного метрологического значения.

Измерительная установка – совокупность функционально и конст­руктивно объединенных средств измерений и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенная для пре­образования сигналов измерительной информации в форму, удобную для автоматической обработки, передачи, использования в автоматических системах управления и (или) доступную для непосредственного восп­риятия наблюдателем.

Измерительные системы иногда рассматривают как частный случай измерительных информационных систем. К информационным измеритель­ным системам, кроме измерительных, относят также системы автомати­ческого контроля, системы технической диагностики и системы опоз­навания образов.

Образцовым средством измерений называют меру, измерительный прибор или измерительный преобразователь, служащие для поверки по ним других средств измерений и утвержденных в качестве образцовых. Их подразделяют на: исходное образцовое средство измерений – средство измерений, соответствующее высшей ступени поверочной схемы органа метрологи­ческой службы; подчиненное образцовое средство измерений – средство измере­ний низшего разряда по сравнению с исходным образцовым средством измерений. Следует иметь в виду, что образцовые средства измерений пред­назначены только для поверки и недопустимо применять их для изме­рений, так как это грозит нарушением единства мер и измерений. Для целей измерений служат рабочие средства измерений – это средства измерений, применяемые для измерений, не связанных с пе­редачей размера единиц. К рабочим относят измерительные приборы, которыми пользуются в повседневной практике.

В зависимости от получения результата - непосредственно в процессе измерения или после измерения путем последующих расчетов - различают прямые, косвенные, совокупные и совместные измерения.

Прямые измерения - измерения, при которых искомое значение измеряемой физической величины определяется непосредственно из опытных данных. Например, определение значения протекающего тока в цепи при помощи амперметра.

Косвенные измерения - измерения, при которых измеряется не сама физическая величина, а величина, функционально связанная с ней. Измеряемая величина определяется на основе прямых измерений величины (или величин), функционально связанной с измеряемой, с последующим расчетом на основе известной функциональной зависимости. Например, измерение мощности постоянного тока при помощи амперметра и вольтметра с последующим расчетом мощности по известной зависимости Р = V*I.

Совокупные измерения - измерения нескольких однородных величин, на основании которых значения искомой величины находят путем решения системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин. Примером совокупных измерений может служить измерение ёмкости двух конденсаторов по результатам измерения ёмкости каждого из них в отдельности, а также при последовательном и параллельном их сое­динении.

Совместные измерения - это производимые одновременно измере­ния нескольких не одноименных величин для нахождения зависимости между ними. Примером совместных измерений может служить измерение тем­пературных коэффициентов сопротивления по данным прямых измерений температуры и сопротивления при различных значениях темпера­туры.

Метод измерения - совокупность приемов использования принципов и средств измерений.

Различают два основных метода измерений: метод непосредственной оцен­ки, в котором значение величины определяют непосредственно по отсчётному устройству измерительного прибора прямого действия, и метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.

Метод сравнения с мерой имеет ряд разновидностей. Наиболее распространены: дифференциальный метод, в котором на измеритель­ный прибор воздействует разность измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой; нулевой метод, когда результи­рующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля; метод замещения, в котором измеряемую величину замещают из­вестной величиной, воспроизводимой мерой; метод совпадений, в котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроиз­водимой мерой, измеряют, используя совпадения отметок шкал или пе­риодических сигналов.

Принцип измерений - физическое явление или совокупность физических явлений, положенных в основу измерений.

Условия измерений характеризуются наличием влияющих величин, например температуры, давления, вибрации, ускорений, электромаг­нитных полей и других. Влияние их должно быть изучено, учтено или исключено.

По условиям, определяющим точность результата, измерения делятся на три класса:

1. Измерения максимально возможной точности, достижимой при существующем уровне техники. К ним относятся в первую очередь эталонные измерения, связанные с максимально возможной точностью воспроизведения установленных единиц физических величин, и, кроме того, измерения физических констант.

К этому же классу относятся и некоторые специальные измерения, требующие высокой точности.

2. Контрольно-поверочные измерения, погрешность которых с определенной вероятностью не должна превышать некоторого заданного значения. К ним относятся измерения, выполняемые лабораториями государственного надзора за внедрением и соблюдением стандартов и состоянием измерительной техники и заводскими измерительными лабораториями, которые гарантируют погрешность результата с определенной вероятностью, не превышающей некоторого, заранее заданного значения.

3. Технические измерения, в которых погрешность результата определяется

характеристиками средств измерений. Примерами технических измерений являются измерения, выполняемые в процессе производства, на щитах распределительных устройств и др.

По способу выражения результатов измерений различают абсолютные и относительные измерения.

Абсолютными называются измерения, которые основаны на прямых измерениях одной или нескольких основных величин или на использовании значений физических констант.

Относительными называются измерения отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.