Метрология
1.1 Основные понятия метрологии
1.1.1 Задачи метрологии. Метрология – это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения заданной точности.
Измерения в современном обществе играют важную роль. Они служат не только основой научно-технических знаний, но имеют первостепенное значение для учета материальных ресурсов и планирования, для внутренней и внешней торговли, для обеспечения качества продукции, взаимозаменяемости узлов и деталей и совершенствования технологии, для обеспечения безопасности труда и других видов человеческой деятельности.
Метрология имеет большое значение для прогресса естественных и технических наук, так как повышение точности измерений – одно из средств совершенствования путей познания природы человеком, открытий и практического применения точных знаний.
Для обеспечения научно-технического прогресса метрология должна опережать в своем развитии другие области науки и техники, так как для каждой из них точные измерения являются одним из основных путей их совершенствования.
Основными задачами метрологии в соответствии с рекомендациями по международной стандартизации (РМГ 29-99) являются:
- установление единиц физических величин (ФВ), государственных эталонов и образцовых средств измерений (СИ).
- разработка теории, методов и средств измерений и контроля;
- обеспечение единства измерений;
- разработка методов оценки погрешностей, состояния средств измерения и контроля;
- разработка методов передачи единиц от эталонов или образцовых средств измерений рабочим средствам измерений.
1.1.2 Краткая история развития метрологии. Потребность в измерениях возникла давно, на заре цивилизации примерно 6000 лет до н.э.
В первых документах из Месопотамии и Египта указывается, что система измерения длины базировалась на футе, равном 300 мм (при строительстве пирамид). В Риме фут равнялся 297,1734 мм; в Англии – 304, 799978 мм.
Древние вавилоняне установили год, месяц, час. Впоследствии 1/86400 часть среднего обращения Земли вокруг своей оси (суток) получила название секунда.
В Вавилоне во II веке до н.э. время измерялось в минах. Мина равнялась промежутку времени (примерно равному двум астрономическим часам). Затем мина сократилась и превратилась в привычную для нас минуту.
Многие меры имели антропометрическое происхождение. Так, в Киевской Руси в обиходе применялся вершок, локоть, сажень.
Важнейшим метрологическим документом в России является Двинская грамота Ивана Грозного (1550 г.). В ней регламентированы правила хранения и передачи размера новой меры сыпучих веществ – осьмины (104,95 л).
Метрологической реформой Петра I в России к обращению были допущены английские меры, получившие особенно широкое распространение на флоте и кораблестроении: дюймы (2,54 см) и футы (12 дюймов).
В 1736 г. по решению Сената была образована Комиссия весов и мер.
Идея построения системы измерений на десятичной основе принадлежит французскому астроному Г.Мутону, жившему в 17 веке.
Позже было предложено принять в качестве единицы длины одну сорокамиллионную часть земного меридиана. На основе единственной единицы – метра – строилась вся система, получившая название метрической.
В России в 1835 г. Указом «О системе Российских мер и весов» были утверждены эталоны длины и массы – платиновая сажень и платиновый фунт.
В 1875 г. 17 государствами, в число которых входила и Россия, была принята метрологическая конвенция «для обеспечения единства и усовершенствования метрической системы» и было решено учредить Международное бюро мер и весов (МБМВ), которое располагается в городе Севр (Франция).
В этом же году Россия получила платиноиридиевые эталоны массы №12 и №26 и эталоны единицы длины №11 и №28.
В 1892 г. управляющим Депо был назначен Д.И.Менделеев, которое он в 1893 г. преобразует в Главную палату мер и весов – одно из первых в мире научно – исследовательских учреждений метрологического типа.
Величие Менделеева как метролога проявилось в том, что он первым в полной мере осознал прямую зависимость между состоянием метрологии и уровнем развития науки и промышленности. «Наука начинается ... с тех пор, как начинают измерять... Точная наука немыслима без меры», – утверждал знаменитый русский ученый.Метрическая система в России была введена в 1918 г. декретом Совета Народных Комиссаров «О введении Международной метрической системы мер и весов».
В 1956г. была подписана межправительственная конвенцияоб учреждении Международной организации законодательной метрологии (МОЗМ), которая разрабатывает общие вопросы законодательной метрологии (классы точности, СИ, терминологию по законодательной метрологии, сертификацию СИ).
Созданный в 1954г. Комитет стандартов мер и измерительных приборов при Совете Министров СССР, после преобразований, становится Комитетом РФ по стандартизации - Госстандартом России.
В связи с принятием ФЗ «О техническом регулировании» в 2002г. и реорганизации органов исполнительной власти в 2004г. Госстандарт стал Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии(в настоящее время сокращенно Росстандарт).
Развитие естественных наук привело к появлению все новых и новых средств измерений, а они в свою очередь стимулировали развитие наук, становясь все более мощным средством исследования.
1.1.3 Современная метрология - это не только наука об измерениях, но и соответствующая деятельность, предусматривающая изучение физических величин (ФВ), их воспроизведение и передачу, применение эталонов, основных принципов создания средств и методов измерения, оценку их погрешностей, метрологический контроль и надзор.
Метрологии базируется на двух основных постулатах (а и б):
а) истинное значение определяемой величины существуети оно постоянно;
б) истинное значение измеряемой величины отыскать невозможно.
Отсюда следует, что результат измерения связанс измеряемой величиной математической зависимостью (вероятностной зависимостью).
Истинным значением ФВ называют значение ФВ, которое идеальным образом характеризует в качественном и количественном отношении соответствующую физическую величину (ФВ).
Действительное значение ФВ – значение ФВ, полученное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному значению, что в поставленой измерительной задаче может быть использовано вместо него.
Для действительного значения величины всегда можно указать границы более или менее узкой зоны, в пределах которой с заданной вероятностью находится истинное значение ФВ.
1.1.4 Количественные и качественные проявления материального мира
Любой объект окружающего нас мира характеризуется своими специфическими
свойствами.
Свойство –философская категория, выражающая такую сторону объекта (процесса, явления), которая обуславливает его общность или различие с другими объектами (процессами, явлениями) и обнаруживается в его отношении к ним.
По своей сути свойство – категория качественная. Одно и то же свойство может быть обнаружено у многих объектов или быть присущим только некоторым из них. Например, массой, температурой или плотностью обладают все материальные тела, а кристаллической структурой только некоторые из них.
Поэтому каждое из свойств физических объектов, прежде всего, должно быть обнаружено, затем описано и классифицировано, и только после этого можно приступить к его количественному изучению.
Величина –количественная характеристика размеров явлений, признаков, показателей их соотношения, степени изменения, взаимосвязи.
Величина не существует сама по себе, а имеет место лишь постольку, поскольку существует объект со свойствами, выраженными этой величиной.
Различные величины можно разделить на идеальные и реальные величины.
Идеальная величина – является обобщением (моделью) субъективных конкретных реальных понятий и в основном относятся к области математики. Их вычисляют различными способами.
Реальные величиныотражаютреальные количественные свойства процессов и физических тел. Они в свою очередь делятся на физические и нефизические величины.
Физическая величина (ФВ) может быть определена как величина, свойственная некоторым материальным объектам (процессам, явлениям, материалам), изучаемым в естественных (физика, химия) и различных технических науках.
К нефизическим относят величины, присущие общественным наукам – философия, культура, экономика и др.
Для нефизических величин единица измерения не может быть введена в принципе. Их можно оценить с использованием экспертных оценок, бальной системы, набора тестов и др. Нефизические величины, при оценке которых неизбежно влияние субъективного фактора, так же, как и идеальные величины, не относятся к области метрологии.
1.2 Физические величины
Физическая величина – одно из свойств физического объекта (физической системы,
явления или процесса), общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них.
Энергетические (активные) ФВ – величины, которые не требуют для измерения приложения энергии извне. Например, давление, электрическое напряжение, сила.
Вещественные (пассивные) ФВ - величины, которым необходимо приложение энергии извне. Например, масса, электрическое сопротивление.
Индивидуальность в количественном отношении понимают в том смысле, что свойство может быть для одного объекта в определенное число раз больше, чем для другого.
Качественная сторона понятия «физическая величина» определяет «род» величины, например, масса как общее свойство физических тел.
Количественная сторона – их «размер» (значение массы конкретного физического тела).
Род ФВ– качественнаяопределенность величины. Так, постоянная и переменная скорости – однородные величины, а скорость и длина – неоднородные величины.
Размер ФВ – количественная определенность, присущая конкретному материальному объекту, системе, явлению или процессу.
Значение ФВ– выражениеразмера ФВ в виде некоторого числа принятых для нее единиц измерения.
Влияющая физическая величина – ФВ, оказывающая влияние на размер измеряемой величины и (или) результат измерений.
Размерность ФВ – выражение в форме степенного одночлена, составленного из произведений символов основных ФВ в различных степенях и отражающая связь данной величины с ФВ, принятые в этой системе величин за основные с коэффициентом пропорциональности, равным 1.
dim x = Ll Mm Tt .
Постоянная физическая величина – ФВ, размер которой по условиям измерительной задачи можно считать не изменяющимся за время, превышающее время измерения.
Размерная ФВ – ФВ, в размерности которой, хотя бы одна из основных ФВ возведена в степень, не равную 0. Например, сила F в системе LMTIθNJ есть размерная величина: dim F = LMT-2.
При измерении выполняют сравнение неизвестного размера с известным размером, принятым за единицу.
Уравнение связи между величинами –уравнение,отражающее связь между величинами, обусловленную законами природы, в которых под буквенными символами понимают ФВ. Например, уравнение v = l / t отражает существующую зависимость постоянной скорости v от длины пути l и времени t.
Уравнение связи между величинами в конкретной измерительной задаче называют уравнением измерений.
Аддитивная ФВ – величина, разные значения которой могут быть суммированы, умножены на числовой коэффициент, разделены друг на друга.
Считается, что аддитивная (или экстенсивная) физическая величина измеряются по частям, кроме того, их можно точно воспроизводить с помощью многозначной меры, основанной на суммировании размеров отдельных мер. Например, к аддитивным физическим величинам относят длину, время, силу тока и др.
При измерении различных ФВ, характеризующих свойства веществ, объектов, явлений и процессов, некоторые свойства проявляются толькокачественно, другие – количественно.
Размеры ФВ как измеряются, так и оцениваются при помощи шкал, т.е. количественные или качественные проявления любого свойства отражаются множествами, которые образуют шкалы ФВ.
Практическая реализация шкал измерений осуществляется путем стандартизации единиц измерений, самих шкал и условий их однозначного применения.
1.3. Единицы физических величин
1.3.1 Единица измерения ФВ – ФВ фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное 1, и применяемая для количественного выражения однородных физических величин.
Числовое значение ФВ q– отвлеченное число, входящее в значение величины или отвлеченное число, выражающее отношение значения величины к принятой для нее единице данной ФВ. Например, 10 кг – значение массы, причем число 10 – это и есть числовое значение.
Система ФВ – совокупность ФВ, образованная в соответствии с принятыми принципами, когда одни величины принимают за независимые, а другие определяют как функции независимых величин.
Система единиц ФВ – совокупность основных и производных ФВ, образованная в соответствии с принципами для заданной системы ФВ.
Основная ФВ – ФВ, входящая в систему величин и условно принятая в качестве независимой от других величин этой системы.
Производная ФВ – ФВ, входящая в систему величин и определяемая через основные величины этой системы.
1.3.2 Международная система единиц (система СИ) в России была введена 1 января 1982г. По ГОСТ8. 417 – 81, в настоящее время действует ГОСТ8. 417 – 2002 (таблицы 1 -3).
Главный принцип создания системы - принцип когерентности, когда производные единицы могут быть получены с помощью определяющих уравнений с численными коэффициентами, равными 1.
Таблица1 - Основные величины и единицы СИ
| Величина | Единица | |||
| Наименование | Размерность | Наименова- ние | Обозначение | |
| международное | русское | |||
| Длина | L | метр | m | м |
| Масса | M | килограмм | kg | кг |
| Время | T | секунда | s | с |
| Сила электри-ческого тока | I | Ампер | A | А |
| Термодинами-ческая темпе-ратура | θ | Кельвин | K | К |
| Количество вещества | N | моль | mol | моль |
| Сила света | J | кандела | cd | кд |
Основные ФВ системы СИ:
- метр (metre) есть длина пути, проходимого светом в вакууме за интервал времени 1/299792458 с;
- килограмм (kilogram) равен массе международного прототипа килограмма (МБМВ, г. Севр, Франция);
- секунда (second) есть время, равное 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133;
- ампер (ampere) есть сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового сечения, расположенных в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную
2·10-7 Н (ньютон);
- кельвин (kelvin) есть единица термодинамической температуры, равная 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды.
Температура тройной точки воды – это температура точки равновесия воды в твердой (лед), жидкой и газообразной (пар) фазах на 0,01 К или 0,01°С выше точки таяния льда;
- моль (mole)есть количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде – 12 массой 0,012 кг;
- кандела (candela) есть сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540·1012 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср (ср – стерадиан).
Радиан – угол между двумя радиусами окружности, длинадуги между которыми равна этому радиусу.
Стерадиан– телесный угол с вершиной в центре сферы, вырезающий на ее поверхности площадь, равную площади квадрата со стороной, радиусу сферы.
Системная единица ФВ – единица ФВ, входящая в принятую систему единиц. Основные, производные, кратные и дольные единицы СИявляются системными, например, 1 м; 1 м/с; 1 км.
Внесистемная единица ФВ - единица ФВ, не входящая в принятую систему единиц, например, полный угол (оборот на 360°), час (3600 с), дюйм (25,4 мм) и другие.
1.3.3 Для выражения звукового давления, усиления, ослабления и др. применяют логарифмические ФВ.
Единица логарифмической ФВ – бел (Б):
- энергетические величины 1Б = lg (Р2/Р1) при Р2 = 10Р1;
- силовые величин 1Б = 2 lg(F2/F1) при F2 = 
.
Дольная единица от бела – децибел (дБ): 1дБ = 0,1Б.
Широкое применение получили относительные ФВ – безразмерные отношения
двух одноименных ФВ. Они выражаются в процентах и безразмерных единицах.
1.3.4 Одним из важнейших показателей современной цифровой измерительной техники является количество (объем) информации бит и байт (Б). 1 байт = 23 = 8 бит.
Таблица 2 - Единицы количества информации
| Величина | Единица | ||
| Наименование | Обозначение | ||
| международное | русское | ||
| Количество информации | бит | bit | бит |
| байт | B (byte) | Б (байт) |
Используют приставки СИ: 1Кбайт = 1024 байт, 1 Мбайт = 1024 Кбайт, 1 Гбайт = 1024 Мбайт и т.д. При этом обозначение Кбайт начинают с прописной (заглавной) буквы в отличие от строчной буквы «к» для обозначения множителя 103.
Исторически сложилось такая ситуация, что с наименованием «байт» некорректно (вместо 1000 = 103 принято 1024 = 210) используют приставки СИ: 1Кбайт = 1024 байт, 1 Мбайт = 1024 Кбайт, 1 Гбайт = 1024 Мбайт и т.д. При этом обозначение Кбайт начинают
с прописной (заглавной) буквы в отличие от строчной буквы «к» для обозначения множителя 103.
Некоторым единицам СИ в честь ученых присвоены специальные наименования, обозначения которых записывают с прописной (заглавной) буквы, например, ампер – А, паскаль - Па, ньютон – Н. Такое написание обозначений этих единиц сохраняют в обозначении других производных единиц СИ.
1.3.5 Кратные и дольные единицы ФВ применяют с множителями и приставками. Кратные и дольные единицы СИ не являются когерентными.
Кратные единица ФВ - единица ФВ, в целое число раз бóльшая системной или внесистемной единицы. Например, единица мощности мегаватт (1 МВт = 106 Вт).
Дольная единица ФВ – единица ФВ, в целое число раз меньшая системной или внесистемной единицы. Например, единица времени 1 мкс = 10-6 с является дольной от секунды.
Наименования и обозначения десятичных кратных и дольных единиц системы СИ образуются с помощью определенных множителей и приставок (таблица 4).
Кратные и дольные единицы от системных единиц не входят в когерентную систему единиц ФВ.
Когерентная производная единица ФВ – производная единица ФВ, связанная с другими единицами системы единиц уравнением, в котором числовой коэффициент принятровным 1.
Когерентная система единиц ФВ – система единиц ФВ, состоящая из основных единиц и когерентных производных единиц.
Приставки «гекто», «деци», «дека», «санти» должны использоваться, когда применение других приставок неудобно.
Присоединение к наименованию единицы двух и более приставок подряд недопустимо. Например, вместо микромикрофарад следует писать пикофарад.
В связи с тем, что наименование основной единицы «килограмм» содержит приставку «кило», для образования кратных и дольных единиц массы используется дольная единица «грамм», например, миллиграмм (мг) вместо микрокилограмм (мккг).
Дольную единицу массы «грамм» применяют без присоединения приставки.
Кратные и дольные единицы ФВ пишут слитно с наименованием единицы СИ, например, килоньютон (кН), наносекунда (нс).
Некоторым единицам СИ в честь ученых присвоены специальные наименования, обозначения которых записывают с прописной (заглавной) буквы, например, ампер – А,
ом – Ом, ньютон – Н.
Таблица 3 - Производные единицы СИ, имеющие специальные наименования и обозначения
| Величина | Единица | |||
| Наименование | Размер-ность | Наимено-вание | Обозначение | |
| международное | русское | |||
| Плоский угол | Радиан | rad | рад | |
| Телесный угол | Стерадиан | sr | ср | |
| Частота | Т-1 | Герц | Hz | Гц |
| Сила | LMT-2 | Ньютон | N | Н |
| Давление | L-1MT-2 | Паскаль | Pa | Па |
| Энергия, работа, количество теплоты | L2MT-2 | Джоуль | J | Дж |
| Мощность | L2MT-3 | Ватт | W | Вт |
| Электрический заряд, количество электричества | TI | Кулон | C | Кл |
| Электрическое напряжение, потенциал, ЭДС | L2 MT-3 I-1 | Вольт | V | В |
| Электрическая емкость | L-2 M-1T4 I2 | Фарад | F | Ф |
| Электрическое сопротивление | L2M1T-3I-2 | Ом | Ω | Ом |
| Электрическая проводимость | L-2M-1T3I2 | Сименс | S | См |
| Поток магнитной индукции, магнитный поток | L2M1T-2I-1 | Вебер | Wb | Вб |
| Плотность магнитного потока, магнитная индукция | MT-2I-1 | Тесла | T | Тл |
| Индуктивность, взаимная индукция | L2M1T-2I-2 | Генри | H | Гн |
| Температура Цельсия | t | Градус Цельсия | °C | °C |
| Световой поток | J | Люмен | lm | лм |
| Освещенность | L-2J | Люкс | lx | лк |
| Активность радионуклида | T-1 | Беккерель | Bq | Бк |
| Поглощенная доза ионизирующего излучения, керма | L2T-2 | Грей | Gy | Гр |
| Эквивалентная доза ионизирующего излучения | L2T-2 | Зиверт | Sv | Зв |
| Активность катализатора | NT-1 | Катал | kat | кат |
Такое написание обозначений этих единиц сохраняют в обозначении других производных единиц СИ и в других случаях.
1.3.6 Правила написания значений величин в единицах СИ. Значение величины записывают как произведение числа и единицы измерения, в которой число, умноженное на единицу измерения, есть численное значение величины этой единицы.
Таблица 4 - Множители и приставки десятичных кратных и дольных единиц СИ
| Десятичный множитель | Наименование приставки | Обозначение приставки | |
| международное | русское | ||
| 1018 | экса | Е | Э |
| 1015 | пета | Р | П |
| 1012 | тера | Т | Т |
| 109 | гига | G | Г |
| 106 | мега | M | М |
| 103 | кило | k | к |
| 102 | гекто | h | г |
| 101 | дека | da | да |
| 10-1 | деци | d | д |
| 10-2 | санти | c | с |
| 10-3 | милли | m | м |
| 10-6 | микро | µ | мк |
| 10-9 | нано | n | н |
| 10-12 | пико | p | п |
| 10-15 | фемто | f | ф |
| 10-18 | атто | a | а |
Между числом и единицей измерения всегда оставляют один пробел, например сила тока I = 2 A.
Для безразмерных величин, у которых единицей измерения является «единица», единицу измерения принято опускать.
Численное значение ФВ зависит от выбора единицы. Одно и то же значение ФВ может иметь различные значения в зависимости от выбранных единиц, например, скорость автомобиля v = 50 м/с = 180 км/ч; длина волны одной из желтых натриевых полос λ = 5,896·10-7 м = 589,6 нм.
Математические символы ФВ печатают курсивом (наклонным шрифтом), обычно это отдельные строчные или прописные буквы латинского или греческого алфавита, а с помощью нижнего индекса можно дополнить информацию о величине.
Обозначения единиц в тексте, набранным любым шрифтом, следует печатать прямым (ненаклонным) шрифтом. Они являются математическими единицами, а не аббревиатурой.
После них никогда не ставится точка (кроме случаев, когда они заканчивают предложение), они не имеют окончаний множественного числа.
Для отделения десятичной части от целой ставят точку (в документах на английском языке – относится в основном к США и Англии) или запятую (во многих европейских и языках других стран, в т.ч. Российской Федерации).
Для облегчения прочтения чисел с большим количеством цифр эти цифры могут быть объединены в группы по три как до, так и после запятой, например, 10 000 000.
При написании обозначений производных единиц обозначения единиц, входящих в производные, разделяют точками, стоящими на средней линии, например, Н·м (ньютон – метр), Н·с/м2 (ньютон – секунда на квадратный метр).
Наиболее употребительно выражение в виде произведения обозначений единиц, возведенных в соответствующую степень, например, м2·с-1.
При наименовании, соответствующем произведению единиц с кратными или дольными приставками, рекомендуется приставку присоединять к наименованию первой единицы, входящей в произведение. Например, 103 Н·м следует именовать кН·м, а не Н·км.
1.4 Понятие о контроле и испытаниях
1.4.1 Некоторые понятия, связанные с определением«измерение».
Принцип измерений – физическое явление или эффект, положенные в основу измерения (механический, оптико-механический, эффект Доплера для измерения скорости движения объекта).
Методика выполнения измерений (МВИ) – установленная совокупность операций и правил при измерении, выполнение которых обеспечивает получение результатов с гарантированной точностью в соответствии с принятым методом.
Обычно МВИ регламентируется НТД, например, аттестацией МВИ. По существу МВИ – алгоритм измерения.
Наблюдения при измерении – операция, проводимая при измерении и имеющая целью своевременно и правильно произвести отсчет итога наблюдения – результат всегда случаен и представляет собой одно из значений измеряемой величины, подлежащей совместной обработке для получения результата измерения.
Не рекомендуется заменять термин «измерение» термином «наблюдение» (РМГ29 – 99).
Отсчет показаний - фиксация значения величины или числа по показывающему устройству СИ в заданный момент времени.
Например, зафиксированное в некоторый момент времени по шкалеизмерительной индикаторной головки значение, равное 4,52 мм,является отсчетом ее показания на этот момент.
Информативный параметр входного сигнала СИ – параметр входного сигнала, функционально связанный с измеряемой ФВ ииспользуемый для передачи ее значения или являющийся самойизмеряемой величиной.
Измерительная информация – информация о значениях ФВ. Зачастуюинформация об объекте измерения известна до проведения измерений, что является важнейшим фактором, обуславливающим эффективность измерения. Такую информацию обобъекте измерения называют априорной информацией.
Измерительная задача – задача, состоящая в определении значения ФВ путем ее измерения с требуемой точностьюв данных условиях измерения.
Объект измерения – тело (физическая система, процесс,явление), которые характеризуются одной или несколькими ФВ.
Например, деталь, длина и диаметр которой измеряются; технологический процесс, во время которого измеряют температуру.
Математическая модель объекта – совокупность математических символов и отношений между ними, которая адекватно описывает свойства объекта измерения.
При построении теоретических моделей неизбежно введение каких либо ограничений, допущений и гипотез.
Поэтому возникает задача оценки достоверности (адекватности) полученной модели реальному процессу или объекту. Для этого, когда это необходимо, проводят экспериментальную проверку разработанных теоретических моделей.
Алгоритм измерения – точное предписание о порядке операций, обеспечивающих измерение ФВ.
Область измерений– совокупность измерений ФВ, свойственных какой – либо области науки или техники и выделяющихся своей спецификой (механические, электрические, акустические и т. д.).
Неисправленный результат измерения – значение величины, полученное при измерении до введения в него поправок, учитываю систематические погрешности.
Исправленный результат измерения – полученное при измерении значение величины и уточненное путем введения в него необходимых поправок на действие систематических погрешностей.
Сходимость результатов измерений – близость друг к другу результатов измерений одной и той же величины, выполненных повторно одними и теми же СИ, одним и тем же методом в одинаковых условиях и с одинаковой тщательностью.
Наряду с термином «сходимость» в отечественных документах используют термин «повторяемость». Сходимость результатов измерений может быть выражена количественно через характеристики их рассеяния.
Воспроизводимость результатов измерений – близость результатов измерений одной и той же величины, полученных в разных местах, разными методами, разными средствами, разными операторами, в разное время, но проведенных к одним и тем же условиям измерений (температуре, давлению, влажности и др.).
Воспроизводимость результатов измерений может быть выражена количественно через характеристики их рассеяния.
Качество измерений – совокупность свойств, обуславливающих получение результатов измерений с требуемыми точностными характеристиками, в необходимом виде и в установленные сроки.
Достоверность измеренийопределяется степенью доверия к результату измерения и характеризуется вероятностью того, что истинное значение измеряемой величины находится в указанных пределах, или в указанном интервале значений величины.
Ряд результатов измерений – значения одной величины, последовательно полученные из следующих друг за другом измерений.
Среднее взвешенное значение величины -среднее значение величины из ряда неравноточных измерений, определенное с учетом веса каждого единичного измерения.
Среднее взвешенное значение еще называют средним весовым.
Вес результата измерений (вес измерений) – положительное число (р), служащее оценкой доверия к тому или иному отдельному результату измерения, входящему в ряд неравноточных измерений.
В большинстве случаев принято считать, что весá входящих в ряд неравноточных измерений обратно пропорциональны квадратам их средних квадратических погрешностей, т. е. pi = 1/Si 2.
Для простоты вычислений обычно результату с большей погрешностью приписывают вес (р = 1), а остальные веса находят по отношению к данному «единичному» весу.
Измерение – нахождение значения ФВ опытным путем с помощью специальных технических средств.
Измерение включает в себя совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу ФВ, обеспечивающих нахождения соотношения измеряемой величины с ее единицей и получения значения этой величины.
Примеры: в простейшем случае, прикладывая линейку к какой - либо детали, по сути сравниваем ее размер с единицей, хранимой линейкой, и, произведя отсчет, получаем значение величины (длины, высоты); с помощью цифрового прибора сравнивают раз мер
ФВ, преобразованный в цифровое значение, с единицей, хранимой прибором, и проводят отсчет по цифровому табло прибора.
Понятие «измерение» отражает следующие его особенности (а – д):
а) приведенное определение понятия «измерение» удовлетворяет общему уравнению измерений, т.е. в нем учтена техническая сторона (совокупность операций), раскрыта метрологическая суть (сравнение измеряемой величины и ее единицей) и показан результат операций (получение значения величины);
б) измерять можно характеристики свойств реально существующих объектов материального мира;
в) процесс измерений – экспериментальный процесс (невозможно провести измерение теоретическим или расчетным путем);
г) для проведения измерения обязательным является использование технического СИ, хранящего единицу измерения;
д) в качестве результата измерения принимается значение ФВ (выражение ФВ в виде некоторого числа принятых для нее единиц).
От термина «измерение» происходит термин «измерять», которым широко пользуются на практике.
Не рекомендуется применять термины «мерить», «обмерять», «замерять», «промерять»
Не следует применять выражение «измерение значения», так как значение величины – это уже результат измерений.
Метрологическая суть измерения сводится к основному уравнению измерения (основному уравнению метрологии):
где А – значение измеряемой ФВ;
Ао – значение величины, принятой за образец;
k – отношение измеряемой величины к образцу.
Итак, любое измерение заключается в сравнении путем физического эксперимента измеряемой ФВ с некоторым ее значением, принятым за единицу сравнения, т.е. мерой.
Наиболее удобен вид основного уравнения метрологии, если выбранная за образец величина равна единице. В этом случае параметр k представляет собой числовое значение измеренной величины, зависящее от принятого метода измерения и единицы измерения.
Измерения включают в себя наблюдения.
Наблюдение при наблюдении – экспериментальная операция, выполняемая в процессе измерений, в результате которой получают одно значение из совокупности значений величины, подлежащих совместной обработке для получения результата измерений.
1.4.2 Следует различать термины «измерение», «контроль», «испытание» и «диагностирование».
Измерение- нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.
Измерение может быть как частью промежуточного преобразования в процессе контроля, так и окончательным этапом получения информации при испытании.
Технический контроль— это процесс определения соответствия установленным нормам или требованиям значения параметров изделия или процесса.
При контроле выявляется соответствие или несоответствие фактических данных требуемым и вырабатывается соответствующее логическое решение по поводу объекта контроля — «годен» или «негоден».
Контроль состоит из ряда элементарных действий:
- измерительного преобразования контролируемой величины;
- операции воспроизведения установок контроля;
- операции сравнения;
- определения результата контроля.
Перечисленные операции во многом схожи с операциями измерения, однако процедуры измерения и контроля во многом различаются:
- результатом контроля является качественнаяхарактеристика, а измерения - количественная;
- контроль осуществляется, как правило, в пределах относительно небольшого числа возможных состояний, а измерение — в широком диапазоне значений измеряемой величины;
- основной характеристикой качества процедурыконтроля является достоверность, а процедуры измерения — точность.
Испытаниемназывается экспериментальное определение количественных и (или) качественных характеристик свойств объекта испытаний как результата воздействий на него при его функционировании, а также примоделировании объекта или (и) воздействия.
Экспериментальное определение при испытаниях указанных характеристик производится с помощью измерений, контроля, оценивания и формирования соответствующих воздействий.
Основными признаками испытаний являются:
- задание требуемых (реальных или моделируемых) условий испытаний (режимов функционирования объекта испытаний и (или) совокупности воздействующих факторов);
- принятие на основе результатов испытаний решений годности или негодности его, предъявления на другие испытания и т.д.
Показателями качества испытаний является неопределенность(погрешность),
повторяемость и воспроизводимостьрезультатов.
Диагностирование– процесс распознавания состояния элементов технического объекта в данный момент времени. По результатам диагностирования можно прогнозировать состояние элементов технического объекта для продолжения его эксплуатации.
1.4.3 Для проведения измерений с целью контроля, диагностирования или испытания необходимо проектирование измерений, в процессе которого выполняют следующие работы:
- анализ измерительной задачи с выяснением возможных источников погрешностей;
- выбор показателей точности измерений;
- выбор числа измерений, метода и средств измерений (СИ);
- формулирование исходных данных для расчета погрешностей;
- расчетотдельных составляющих и общей погрешности;
- расчет показателей точности и сопоставление их с выбранными показателями.
Все эти вопросы отражаютв методике выполнения измерений (МВИ).
1.5 Классификация измерений
1.5.1 Вид измерений – часть области измерений, имеющая свои особенности и отличающаяся однородностью измеряемых величин.
Измерения весьма разнообразны, что объясняется множеством измеряемых величин, различным характером их изменения во времени, различными требованиями к точности измерений и т.д.
В связи с этим измерения классифицируются по различным признакам (рисунок 1).
Равноточные измерения – ряд измерений какой-либо величины,выполненных несколькими одинаковыми по точности СИ в одних и техже условиях с одинаковой тщательностью.
Неравноточные измерения – ряд измерений какой-либо величины, выполненных различающими по точности СИ и (или) в разных условиях.
Однократное измерение – измерение, выполненное один раз. На практике во многих случаях выполняются однократные измерения, например, времени по часам, для производственных процессов.
Многократные измерения – измерение одного и того же размера ФВ, результат которого получен из нескольких следующих друг за другом измерений, т. е. состоящих из ряда однократных измерений.
Статические измерения – измерения ФВ, принимаемой в соответствии с конкретной измерительной задачей за неизменную напротяжении времени измерения.
Рисунок 1 - Классификация видов измерения
Динамическое измерение – измерение изменяющейся по размеру ФВ. Результатом динамического измерения является функциональная зависимость измеряемой величины от времени, т. е. когда выходной сигнал изменяется во времени в соответствии с изменением измеряемой величины.
Абсолютные измерения – измерения, основанные на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значений физических констант.
Например, измерение длины пути при равномерном прямолинейном равномерном движении L = vt, основано на измерении основной величины – времени Т и использовании физической постоянной v.
Понятие абсолютное измерение применяется как противоположное понятию относительное измерение и рассматривается как измерение величины в ее единицах. В такой трактовке это понятие находит все большее применение.
Относительное измерение – измерение отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерение изменения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.
Относительные измерения при прочих равных условиях могут быть выполнены более точно, так как в суммарную погрешность результата измерений не входит погрешность меры ФВ.
Примеры относительных измерений: измерение отношений мощностей, давлений и т.д.
Метрологические измерения – измерения, выполненные с использованием эталонов.
Технические измерения – измерения, выполненные техническими СИ.
1.5.2 Прямое измерение – измерение ФВ, проводимое прямым методом, при котором искомое значение ФВ получают непосредственноиз опытных данных.
Прямое измерение производится путем сравнения ФВ с мерой этой величины непосредственно или путем отсчета показаний СИ по шкале или цифровому прибору, градуированных в требуемых единицах.
Часто под прямыми измерениями понимаются измерения, при которых не производятся промежуточных преобразований.
Примеры прямых измерений: измерение длины, высоты с помощью линейки, напряжения – с помощью вольтметра, массы с помощью пружинных весов.
Уравнение прямого измерения имеет следующий вид:
Q = q[Q].
Косвенное измерение – измерение, полученное на основе результатов прямых измерений других ФВ, функционально связанных с искомой величиной известной зависимостью.
Уравнение косвенных измерений имеет следующий вид:
Y = F(x1, x2…, xi,… xn),
Y = F(x),
где F – известная функция;
n – число прямого измерения ФВ;
x1, x, xi, xn – значения прямого измерения ФВ.
Например, определение площади, объема с помощью измерения длины, ширины, высоты; электрической мощности методом измерения силы тока и напряжения и т. д.
Совокупные измерения – одновременно проводимые измерениянескольких одноименных величин, при которых искомое значение величины, определяют путем решения системы уравнений, получаемых при измерениях различных сочетаний этих величин.
Понятно, что для определения значений искомых величин число уравнений должно быть не меньше числа величин.
Пример: значение массы отдельных гирь набора определяют по известному значению массы одной из гирь и по результатам измерений (сравнений ) масс различных сочетаний гирь.
Имеются гири массами m1, m2, m3.
Масса первой гири определится следующим образом:
Масса второй гири определится как разность массы первой и второй гирь М1,2 и измеренной массой первой гири m1:
Масса третьей гири определится как разность массы первой, второй и третьей гирь М1,2,3 и измеренных масс первой и второй гирь
Часто именно этим путем добиваются повышения точности результатов измерения.
Совместные измерения – одновременно проводимые измерения нескольких неодноименных ФВ для определения зависимости между ними.
Пример1. Построение градуировочной характеристики Y = f(x) измерительного преобразователя, когда одновременно измеряют наборы значений:
Значение ФВ определяется с помощью СИ конкретным методом.
1.6 Методы измерений
1.6.1 Метод измерений – прием или совокупность приемов сравнения измеряемой ФВ с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений и использования СИ.
Конкретные методы измерений определяются видом измеряемых величин, их размерами, требуемой точностью результата, быстротой процесса измерения, условиями, при которых проводят измерения, и ряд других признаков.
В принципе каждую ФВ можно измерить несколькими методами, которые могут отличаться друг от друга особенностями как технического, так и методического характера.
Метод непосредственной оценки – метод измерений, при котором значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству СИ.
Быстрота процесса измерения делает его часто незаменимым для практического
использования, хотя точность измерения обычно ограничена. Примеры: измерение длины линейкой, массы – пружинными весами, давления – манометром.
Метод сравнения с мерой – метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой (измерение зазора с помощью щупа, измерение массы на рычажных весах с помощью гирь, измерение длины с помощью концевых мер и т. д.).
В отличие от СИ непосредственной оценки, более удобной для получения оперативной информации, СИ сравнения обеспечивают бóльшую точность измерения.
Нулевой метод измерения – метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводят до нуля.
Например, измерение электрического сопротивления мостом с полным его уравновешиванием.
Дифференциальный метод – метод измерения, при котором измеряемая величина сравнивается с однородной величиной, имеющей известное значение, незначительно отличающее от значения измеряемой величины, и при которой измеряется разность между этими величинами.
Например, измерение длины сравнением с образцовой мерой на компараторе – средстве сравнения, предназначенном для сличения мер однородных величин.
Дифференциальный метод измерений наиболее эффективен тогда, когда практическое значение имеет отклонение измеряемой величины от некоторого номинального значения (отклонение действительного линейного размера от номинального, уход частоты и т. д.).
Метод измерений замещением – метод сравнения с мерой, в которой измеряемую величину замещают мерой с известным значением величины, например, взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашку весов).
Метод измерений дополнением – метод сравнения с мерой, в котором значение измеряемой величины дополняется мерой этой же величины с таким расчетом, чтобы на прибор сравнения воздействовала их сумма, равная заранее заданному значению.
Метод противопоставления –метод сравнения с мерой, в котором измеряемая величина, воспроизводимая мерой, одновременно действует на прибор сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение между этими величинами.
Например, измерение массы на равноплечих весах с помещением измеряемой массы и уравновешивающих ее гирь на двух чашках весов, сличение мер с помощью компаратора, где основой метода является выработка сигнала о наличии разности размеров сравниваемых величин.
Метод совпадений -метод сравнения с мерой, в которой разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов.
Например, измерение длины с помощью штангенциркуля с нониусом, когда наблюдают совпадение отметок на шкалах штангенциркуля и нониуса, измерение частоты вращения с помощью стробоскопа, когда положение какой либо отметки на вращающемся объекте совмещают с отметкой на невращающейся части этого объекта при определенной частоте вспышек стробоскопа.
Контактный метод измерений – метод измерений, при котором чувствительный элемент прибора (измерительные поверхности прибора или инструмента) приводятся в контакт с объектом измерения.
Например, измерение температуры рабочего тела термопарой, измерение диаметра детали штангенциркулем.
Бесконтактный метод измерений – метод измерений, основанный на том, что чувствительный элемент СИ не приводится в контакт с объектом измерения.
Например, измерения расстояния до объекта с помощью радиолокатора, измерение линейных размеров деталей с фотоэлектрическим измерительным прибором.
1.7 Средства измерений
Средство измерения (СИ) – техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу ФВ, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени.
Средства измерений многообразны. Однако для этого множества можно выделить некоторые общие признаки, присущие всем средствам измерений независимо от области применения.
По роли, выполняемой в системе обеспечения единства измерений, средства измерений делят на метрологическиеи рабочие.
Метрологические СИ предназначены для метрологических целей - воспроизведения единицы и (или) ее хранения или передачи размера единицы рабочим СИ.
Рабочие СИ – СИ, предназначенные для измерений, не связанных с передачей размера единицы другим СИ.
По отношению к измеряемой ФВ СИ подразделяются на основные и вспомогательные.
Основные СИ – СИ той ФВ, значение которой необходимо получить в соответствии с измерительной задачей.
Вспомогательные СИ–СИ той ФВ, влияние которой на основное СИ или объект измерений необходимо учитывать для получения результатов измерений требуемой точности.
Эти СИ применяют для контроля над поддержанием значений влияющих величин в заданных пределах.
По уровню автоматизации все СИ делят на неавтоматические(имеется в виду обычный прибор, например, рычажный микрометр), автоматическиеи автоматизированные.
Автоматические СИ – СИ, производящие без участия человека измерения величины и все операции, связанные с обработкой результатов измерений, их регистрацией, передачей данных или выработки управляющих сигналов.
Примеры: измерительные или контрольные автоматы, встроенные в автоматическую технологическую линию (технологическое оборудование, станок и др.), измерительные роботы, обладающие хорошими манипуляционными свойствами.
Автоматизированное СИ – СИ, производящее в автоматическом режиме одну или часть измерительных операций. Например, счетчик газа (измерение и регистрация данных с нарастающим итогом).
Мера ФВ – СИ, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения и передачи ФВ одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с заданной точностью.
Измерительный прибор – СИ, предназначенное для получениязначений измеряемой величины в установленном диапазоне и вырабатывающий сигнал измерительной информации в форме, доступной наблюдателю для непосредственного восприятия (последнее относится к показывающим приборам).
Аналоговый измерительный прибор – СИ, показания которого являются непрерывной функцией изменения измеряемой величины. Например,весы, манометр, амперметр, измерительная головка со шкальными отсчетными устройствами.
Цифровым измерительным прибором (ЦИП) называется СИ, автоматически
вырабатывающее дискретные сигналы измерительной информации, показания которого
представлены в цифровой форме. При измерениях с помощью ЦИП исключаются субъективные ошибки оператора.
Измерительная установка – совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенная для измерений одной или нескольких ФВ и расположенная в одном месте.
Например, поверочная установка, испытательный стенд, измерительная машина для измерения удельного сопротивления материалов.
Измерительная система (ИС) - совокупностьфункционально объединенных мер,
измерительных приборов, измерительных преобразователей, компьютеров и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта с целью измерений одной или нескольких ФВ, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в разных целях. Измерительная система может содержать десятки измерительных каналов.
В зависимости от назначения ИС разделяют на измерительные информационные,
измерительные контролирующие, измерительные управляющие и пр.
Различают также достаточно условно информационно-измерительные системы
(ИИС) и компьютерно - измерительные системы (КИС).
Измерительную систему, перестраиваемую в зависимости от изменения измерительной задачи, называют гибкой измерительной системой (ГИС).
Измерительный – вычислительный комплекс (ИВК) – функционально объединенная совокупность СИ, компьютеров и вспомогательных устройств, предназначенных для выполнения в составе ИС конкретной измерительной функции.
Компьютерно - измерительная система (КИС), иначе виртуальный прибор, состоит из стандартного или специализированного компьютера со встроенной платой (модулем) сбора данных.
Измерительный преобразователь (ИП) – техническое средствос нормативными
метрологическими характеристиками, служащее дляпреобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации и передачи. ИП входит в состав какого-либо измерительного прибора (измерительной установки, ИС и др.), или применяется вместе с
каким – либо СИ.
Примеры ИП. Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) или аналого-цифровой
преобразователь (АЦП).
Передающий преобразователь – измерительный преобразователь, служащий для
дистанционной передачи сигнала измерительной информации к другим устройствам или
системам (термопара в термоэлектрическом термометре).
Первичный измерительный преобразователь или просто первичный преобразователь (ПП) - измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая ФВ;
Датчик – конструктивно обособленный ПП, вырабатывающий измерительные си