Общие вопросы измерений.

1.1. Основные термины и определения.

Метрология - наука об измерениях, методах и средствах достиже­ния их единства и требуемой точности. Единство измерения – это состояние измерений при котором их результаты выражены в условных единицах и погрешности измерений известны с заданной вероятностью. Единство измерений необходи­мо для того, чтобы можно было сопоставить результаты измерений, про­веденных в разное время, в разных местах, различными методами и средствами измерения.

Физическая величина - это свойство общее в качественном отношении для различных объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них.

Пример: длина, масса, величина тока.

Размер физической величины - это количественное содержание в данном объекте свойства соответствующего понятию физической вели­чины.

Значение физической величины - это оценка размера физической величины в виде некоторого числа единиц, принятого для измерений. Пример: 1 м; 10 А.

Истинное значение физической величины - значение физической величины, которое идеальным образом отражало бы в количественном и качественном отношении свойства объекта. На практике истинное значение измеряемой величины, всегда неизвестно. Поэтому исполь­зуется понятие действительного значения физической величины. Это значение, найденное экспериментальным путём настолько близкое к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него.

Измерение - это процесс экспериментального определения значения физической величины с помощью специальных техничес­ких средств.

Точность измерений – характеристика измерений, отражающая близость результатов к истинному значению измеряемой величины.

Погрешность измерения - это величина характеризующая отклоне­ние результата измерений от истинного значения. Dx = x_изм – x₀. Dx - абсолютная погрешность выраженная в единицах измерения величины; x₀ - истинное значение измеренной величины.

Так, как истинное значение реально не известно, используется действительное значение, полученное при более точном измерении. Относительная погрешность измерения:

d = Dx/x_{0 *}100%.

Средства измерения - технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические свойства. К ним относятся: эталоны единиц, меры, измерительные приборы, установки и системы.

Для обеспечения единства измерений необходима тождественность единиц, в которых проградуированы все средства измерений одной и той же физической величины. Это достигается путем точ­ного воспроизведения и хранения установленных единиц фи­зических величин и передачи их размеров применяемым средствам измерений.

Воспроизведение, хранение и передача размеров единиц осу­ществляются с помощью эталонов и образцовых средств измере­ний. Высшим звеном в метрологической цепи передачи размеров единиц измерений являются эталоны.

Эталон представляет собой средство измерений (или комплекс средств измерений), обеспечивающее воспроизведение и хранение единицы физической величины (или одну из этих функций) с целью передачи размера единицы образцовым, а от них рабочим средствам измерений и утвержденное в качестве эталона в уста­новленном порядке.

Если эталон воспроизводит единицу с наивысшей в стране точностью, он называется первичным. Первичные эталоны основ­ных единиц воспроизводят единицу в соответствии с ее определе­нием. Примером первичного эталона является комплекс средств измерений для воспроизведения килограмма с помощью платино - иридиевого прототипа и эталонных весов.

Для воспроизведения единиц в особых условиях, в которых прямая передача размера единицы от существующих эталонов технически неосуществима с требуемой точностью (высокие и сверхвысокие частоты, энергии, давления, температуры, особые со­стояния вещества, крайние участки диапазона измерений и т. п.), создаются и утверждаются специальные эталоны.

Специальный эталон воспроизводит единицу в особых усло­виях и заменяет в этих условиях первичный эталон.

Примером специального эталона является эталон мощности электромагнитных волн при частотах 2,59;...; 37,5 ГГц в волноводных трактах.

Первичный, или специальный, эталон, официально утвержден­ный в качестве исходного для страны, называется государствен­ным. Государственные эталоны утверждаются Государственным ко­митетом стандартов, и на каждый из них утверждается государственный стандарт.

Основное назначение эталонов - служить материально-техниче­ской базой воспроизведения и хранения единиц физических вели­чин. Принят принцип систематизации эталонов по воспроизводи­мым единицам.

Основные единицы Международной системы единиц (СИ) дол­жны воспроизводиться с помощью государственных эталонов, т. е. централизованно. Дополнительные, производные, а при необхо­димости и внесистемные единицы, исходя из соображений технико-экономической целесообразности, воспроизводятся одним из двух способов:

1) централизованно—с помощью единого для всей страны го­сударственного эталона;

2) децентрализовано—посредством косвенных измерений, вы­полняемых в органах метрологической службы с помощью образ­цовых средств измерений.

Централизованно воспроизводится большинство важнейших производных единиц СИ (ньютон, джоуль, Паскаль, ом, вольт, ген­ри, Вебер, и др.), а децентрализовано—производные единицы, размер которых не может передаваться прямым сравнением с эта­лоном (например, единицы площади) или, если поверка мер по­средством косвенных измерений проще, чем их сравнение с этало­ном, и обеспечивает необходимую точность (например, меры вме­стимости и объема). При этом, когда для воспроизведения едини­цы необходимо специально предназначенное оборудование, создаются поверочные установки высшей точности. Примером такой поверочной установки является тахометрическая установка, сравни­вающая частоту вращения с частотой образцового генератора.

В метрологической практике широко распространены вторич­ные эталоны, значения которых устанавливаются по первичным эталонам. Вторичные эталоны являются частью подчиненных средств хранения единиц и передачи их размера. Они создаются и утверждаются в тех случаях, когда это необходимо для органи­зации поверочных работ и для обеспечения сохранности и наи­меньшего износа государственного эталона.

В качестве примеров вторичного эталона можно привести эталон-копию единицы массы (килограмма) в виде платиноиридиевой гири № 26 и рабочий эталон килограмма, изготовленный из нержавеющей стали.

По своему метрологическому назначению вторичные эталоны делятся на эталоны-копии, эталоны сравнения, эталоны-свидетели, и рабочие эталоны.

Эталон-копия представляет собой вторичный эталон, предназначенный для хранения единицы и передачи ее размера рабочим эталонам. Он не всегда может быть физической копией государ­ственного эталона.

Эталон – сравнения - вторичный эталон, применяемый для сли­чения эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличаемы друг с другом. Примером эталона сравнения может служить группа нормальных элементов, применяемая для сличения государственного эталона вольта РФ с эталоном вольта Международного бюро мер и весов.

Эталон - свидетель - вторичный эталон, применяемый для про­верки сохранности государственного эталона и для замены его в случае порчи или утраты. Эталон - свидетель применяется лишь тогда, когда государственный эталон является невоспроизводимым.

Рабочий эталон - вторичный эталон, применяемый для хра­нения единицы и передачи ее размера образцовым средствам из­мерений высшей точности и при необходимости — наиболее точным рабочим мерам и измерительным приборам.

Допускается применение государственного эталона в качестве рабочего, если это предусмотрено правилами хранения и примене­ния эталона.

Государственные эталоны всегда осуществляются в виде комп­лекса средств измерений и вспомогательных устройств, обеспечи­вающих воспроизведение единицы и в необходимых случаях ее хранение, а также передачу размера единицы вторичным этало­нам.

Вторичные же эталоны могут осуществляться в виде: а) комп­лекса средств измерений, б) одиночных эталонов, в) групповых эталонов, г) эталонных наборов.

Одиночный эталон состоит из одной меры, одного измеритель­ного прибора или одной измерительной установки, обеспечиваю­щих воспроизведение или хранение единицы самостоятельно без участия других средств измерений того же типа. Примерами оди­ночного эталона являются вторичные эталоны единицы массы - килограмма в виде платиноиридиевой и стальных гирь.

Групповой эталон состоит из совокупности однотипных мер, измерительных приборов или других средств измерений, применя­емых как одно целое для повышения надежности хранения еди­ницы.

Размер единицы, хранимой групповым эталоном, определяет­ся как среднее арифметическое из значений, воспроизводимых отдельными мерами и измерительными приборами, входящими в состав группового эталона.

Отдельные меры и измерительные приборы, входящие в груп­повой эталон, применяют в качестве одиночных рабочих эталонов, если это допустимо по условиям хранения единицы.

Групповые эталоны могут быть постоянного и переменного со­ставов. В групповые эталоны переменного состава входят меры и измерительные приборы, периодически заменяемые новыми.

Эталонный набор представляет собой набор мер или измери­тельных приборов, позволяющий хранить единицу или измерять величину в определенных пределах. Эти меры или измерительные приборы предназначены для различных значений или различных областей значений измеряемой величины.

Измерительные средства делятся так же на меры, измерительные приборы, измерительные установки и измерительные системы.

Меры - средства измерений для воспроизведения физических величин заданного размера. Например: кварцевый генератор - мера частоты.

Измерительный прибор - средство измерений для выработки сигналов измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателя.

Измерительные установки - совокупность функционально объеди­нённых средств измерений (мер, измерительных приборов и вспомога­тельных устройств) для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для восприятия наблюдателем и расположенных в одном месте.

Измерительные системы - совокупность средств измерений (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и вспомогательных устройств), соединённые между собой каналами связи, предназначенные для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) ис­пользования в других технических средствах.

Средства измерений разделяются на рабочие, образцовые и эталоны.

Рабочие меры и приборы используются для практических измерений.

Образцовые меры и приборы используются для поверки рабочих мер и приборов и градуировки по ним других средств измерений. Они в установленном порядке утверждаются в качестве образцовых.

Поверка производится органами метрологической службы, которые осуществляют надзор за средствами измерений. В результате поверки выясняется, лежит ли погрешность данного средства измерения в паспортных пределах.

Образцовые средства измерений хранят и применяют органы Государственной метрологической службы и органы от­раслевых (ведомственных) метрологических служб.

В качестве образцовых средств измерений применяются меры, измерительные приборы и измерительные устройства, прошедшие метрологическую аттестацию и признанные пригодными для ис­пользования в качестве образцовых. На образцовые средства из­мерений выдаются свидетельства с указанием метрологических параметров и разряда по общегосударственной поверочной схеме.

На рис. показана метрологическая цепь передачи размеров единиц от первичных эталонов (верхнее звено метрологической цепи) рабочим эталонам, от них—разрядным образцовым сред­ствам измерений и далее—рабочим мерам и измерительным при­борам.

Между разрядами образцовых средств измерений существует соподчиненность: образцовые средства измерений 1-го разряда поверяются, как правило, непосредственно по рабочим эталонам, образцовые средства измерений, аттестуемые в качестве образцо­вых 2-го и последующего разрядов, подлежат поверке по образцо­вым средствам измерений непосредственно предшествующих раз­рядов. Для разных видов измерений устанавливается, исходя из требований практики, различное число разрядов образцовых средств измерений, устанавливаемых стандартами на поверочные схемы для данного вида средств измерений.

Как видно из данной схемы (см. рис.), отдельные рабочие меры и измерительные приборы наивысшей точности могут пове­ряться по рабочим эталонам; средства измерений высшей точнос­ти—по образцовым мерам и измерительным приборам 1-го раз­ряда; высокой точности—по образцовым мерам и измерительным приборам 2-го разряда и т. д.

Средства измерений в качестве образцовых утверждаются ор­ганами Государственной метрологической службы, располагающи­ми образцовыми средствами измерений более высокого разряда, чем представляемые для аттестации. В отдельных случаях по раз­решению органов Государственной метрологической службы пре­доставляется право утверждения образцовых средств измерений органам отраслевых метрологических служб при наличии у них, требуемых условий.

Все образцовые средства измерений подлежат обязательной пе­риодической поверке в сроки, устанавливаемые правилами Гос­стандарта.

Для обеспечения правильной передачи размера единиц физических величин во всех звеньях метрологической цепи (от эталонов образцовым мерам, а от них — рабочим мерам и измерительным приборам) должен быть установлен определенный порядок. Этот порядок и приводится в поверочных схемах.

Поверочная схема представляет собой исходный документ, устанавливаю­щий метрологическое соподчинение эталонов, образцовых средств измерений и порядок передачи размера единицы образцовым и рабочим средствам изме­рений.

Исходное положение о поверочных схемах приводится в ГОСТ 8.061—80 «ГСИ. Поверочные схемы. Содержание и построение».

Надежность средств измерений

Средства измерений, как и лю­бые технические устройства и систе­мы, имеют ограниченный срок «жиз­ни» (ресурс), так как они морально и физически изнашиваются, т. е. «стареют». Моральное устаревание происходит вследствие развития науки и техники. При физическом старении (износе) средство измере­ний не выдерживает гарантированных изготовителем границ погреш­ностей, что выявляется при перио­дических поверках данного средства.

В связи со сказанным возникают проблемы надежности измеритель­ных средств, тесно связанные с их свойствами и погрешностью изме­рений. Под надежностью средства измерений понимают вероятность того, что оно может функциониро­вать в предписанных условиях без нарушения заданных границ харак­теристик и параметров, в частности, границ погрешностей.

Выход за пределы поля допуска (метрологическая надежность) сле­дует отличать от полного отказа (аппаратурная надежность), однако это отличие условно. Выход за пре­делы поля допуска и полный отказ представляют собой случайные со­бытия, оцениваемые вероятностью безотказной работы (являющейся одним из показателей надежности). Показатели надежности можно за­дать по опыту длительной эксплуа­тации средств измерений либо по результатам ускоренных испытаний таких средств с повышенными тре­бованиями к эксплуатационным па­раметрам. Для сложных устройств и систем показатели надежности оценивают по характеристикам на­дежности отдельных элементов этих устройств (систем), рассмотренным ниже.

 

Надежность работы техническо­го устройства до его катастрофи­ческого отказа (утраты работоспо­собности), при котором оно не мо­жет продолжать выполнять свои функции, оценивают вероятностны­ми характеристиками случайной ве­личины - наработки до отказа Т. Под наработкой понимают продол­жительность или объем работы уст­ройства, измеряемые в часах, цик­лах, километрах или других едини­цах. Полную характеристику любой случайной величины дает ее закон распределения, т. е. соотношение между возможными значениями случайной величины (в данном слу­чае - наработки до отказа) и соответ­ствующими этим значениям вероят­ностями. Распределение наработки до отказа может быть описано с по­мощью различных показателей на­дежности неремонтируемых уст­ройств. К их числу относятся: а) функция надежности R(t); б) плот­ность распределения наработки до отказа (является производной функ­ции надежности); в) интенсивность отказов l(t); г) функция ненадеж­ности 1- R(t).

Чаще других показателей надеж­ности на практике используют ин­тенсивность отказов l(t) - условную плотность вероятности возникнове­ния отказа неремонтируемого уст­ройства, определяемую для рас­сматриваемой наработки, если до этой наработки отказа не было. Интенсивность отказов можно рас­сматривать как относительную ско­рость уменьшения значений функ­ции надежности с увеличением ин­тервала (0, t) либо как количество устройств из заданного количества однотипных устройств, отказавших в интервале времени наблюдения:

 

Здесь R(t) -непрерывная и диффе­ренцируемая функция. График ин­тенсивности отказов стареющего устройства представляет собой пря­мую, l(t) = const.

Рис. иллюстрирует характер графической зависимости интенсив­ности отказов от времени старения T_A для электронных элементов и уст­ройств, а рис. на следующей странице - характер такой зависимости для механических уст­ройств и систем, у которых первые эксплуатационные отказы появля­ются раньше, чем у электронных устройств.

При анализе надежности разли­чают системы нерезервируемые и резервируемые. В последних отка­завший элемент заменяется резерв­ным работоспособным; такие систе­мы рассматривают как параллель­ные. Считается, что нерезервируемые системы имеют последовательную структуру (последовательно вклю­ченные элементы).

При расчете надежности R_s не­резервируемой системы, состоящей из r элементов, их полагают неза­висимыми (в смысле отказов) и ука­занную надежность определяют как произведение вероятностей р_i безот­казной работы этих элементов: .

Если функция надежности для каж­дого из элементов системы может быть принята экспоненциальной, то, как доказано, интенсивность отка­зов системы равна , а надежность системы определяется выражением .

Интенсивности отказов, опреде­ленные для конкретных элементов и приборов, выдерживаются лишь при соблюдении требуемых нор­мальных условий их эксплуатации, включая и нагрузки. В экстремаль­ных условиях эксплуатации интен­сивность отказов возрастает и необ­ходимо вводить поправочные коэф­фициенты, учитывающие эти усло­вия. Так, на основе опыта известно, что для средств измерений, установ­ленных на кораблях, этот коэффи­циент равен 20, на самолетах - 150, а на современных ракетах достигает 1000.

Важное значение с точки зрения эксплуатационной надежности про­мышленных СИ имеет их защищен­ность от климатических, химичес­ких, механических и иных воздейст­вий, которые могут приводить к по­явлению дополнительных погреш­ностей измерений, повреждению или отказу в работе. При этом исполь­зуются как внутренние (схемотехни­ческие) средства (защита от перена­пряжения, короткого замыкания и т. п.), так и конструктивные меры. К последним следует отнести выбор конструкционных материалов с со­ответствующими свойствами и ис­полнение СИ, предусматривающее защиту против климатических, ра­диационных, механических и прочих вредных воздействий. Для этих це­лей во многих странах разработаны и действуют нормы по исполнению средств измерений, в частности, для различных климатических условий эксплуатации с учетом перепадов температур и влажности, с повы­шенной вибро-, пыле- и влагозащищенностью, с защитой от электро­магнитных помех и ионизирующего излучения. Кроме того, существуют нормы исполнения средств измере­ний, учитывающие требования без­опасности обслуживающего персо­нала и окружающей среды.