Лекция 1 1. Понятие метрологии 2. Методы и средства измерения 3. Погрешности 4. Средства измерений

Метрология – это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способов достижения требуемой точности. Единство измерений – это такое состояние измерений, при котором результаты измерений выражены в узаконенных единицах, а погрешность (точность) известна с определённой 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 г. – принят закон об обеспечении единства измерений. Основная цель закона – защита прав и законных интересов граждан, установленного правопорядка и экономики РФ от отрицательных последствий недостоверных результатов измерений.

Объекты и методы измерений Измерения являются инструментом познания объектов и явлений окружающего мира. Поэтому метрология относится к науке, занимающейся теорией познания – гносеологии. Измерение - получение информации о размере физической или нефизической (в экономике, медицине, информатике, управлении качеством и пр.) величины По Закону РФ Об обеспечении единства измерений измерения должны осуществляться в соответствии с аттестованными в установленном порядке методиками.

Физические величины: аналоговые; дискретные (квантовые); квази-детерминированные (неизвестны их параметры); случайные. Измерить физическую величину – найти её значение опытным путём с помощью технических средств (в узаконенных единицах).

Свойства измерений Воспроизводимость – отражает близость друг к другу результатов измерений, выполненных в различных условиях в различное время, местах, разными средствами. Сходимость – отражает близость друг к другу результатов измерений, проводимых в одинаковых условиях. Точность - отражает близость результатов измерений к истинному значению Правильность - отражает близость у нулю погрешностей результатов

Процесс измерения заключается в сравнении измеряемой величины с некоторым ее значением, принятым за единицу. Различают основные и производные единицы физических величин. Для некоторых ф.в. единицы устанавливаются произвольно, такие единицы называют основными. Производные единицы получают по формулам из основных. В 1954 г. Х Генеральная конференция по мерам и весам установила основных единиц. Система была названа Международной системой единиц, сокращенно СИ (SI - начальные буквы французского наименования Systeme International).

Был утвержден перечень основных, дополнительных и двадцати семи производных единиц, а также приставки для образования кратных и дольных единиц. Основные единицы СИ

Различают истинное значение физической величины и действительное. Истинное – идеально описывает физическую величину Действительное – полученное опытным путём, приближающееся к истинному, что его можно принимать за истинное. Под точностью измерений понимают близость результата измерений к истинному значению измеряемой величины. Обратная величина носит название погрешности.

Погрешность измерений. Абсолютная погрешность ( 1 ). где - измеренное значение, - истинное значение, - действительное значение. Поскольку истинное значение Q измеряемой величины неизвестно, то вместо истинного значения используют так называемое действительное значение. Под действительным значением физической величины мы будем понимать ее значение, найденное экспериментально и настолько приближающееся к истинному, что для данной цели оно может быть использовано вместо него.

Классификация погрешностей 1. По характеру проявления случайные (в том числе грубые погрешности и промахи), изменяющиеся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины; систематические погрешности, остающиеся постоянными или закономерно изменяющиеся при повторных измерениях.

2. По источникам возникновения Инструментальная погрешность – возникающая из-за допущенных в процессе изготовления функциональных частей средств измерения ошибок. Методическая погрешность – возникающая по следующим причинам: 1) неточность построения модели физического процесса, на котором базируется средство измерения; 2) неверное применение средств измерений. Субъективная погрешность –возникающая из-за низкой степени квалификации оператора средства измерений, а также погрешности зрительных органов человека, т. е. причиной возникновения субъективной погрешности является человеческий фактор. Внешняя погрешность – обусловленная отклонением влияющих величин от нормальных условий (температура, влажность, электрическое поле)

3. По характеру зависимости погрешности от входной величины Аддитивная погрешность – это погрешность, возникающая по причине суммирования численных значений и не зависящая от значения измеряемой величины. Значение абсолютной аддитивной погрешности определяет минимальное значение величины, которое может быть измерено средством измерений Мультипликативная погрешность – это погрешность, изменяющаяся вместе с изменением значений величины, подвергающейся измерениям. Мультипликативная погрешность возникает из-за воздействия влияющих величин на параметрические характеристики элементов прибора.

Классификация измерений 1. По характеру зависимости измеряемой величины от времени статические, при которых измеряемая величина остается постоянной во времени (например, измерения размеров тела, постоянного давления) динамические, в процессе которых измеряемая величина изменяется и является непостоянной во времени (например, измерения пульсирующих давлений, вибраций)

2. По способу получения результатов измерений Прямое измерение - это измерение, при котором искомое значение физической величины находят непосредственно из опытных данных (например, измерение силы тока амперметром). Q = X, где Q - искомое (истинное) значение физической величины; X - значение физической величины, найденное путем ее измерения и называемое результатом измерения. Примерами прямых служат измерения длины тела линейкой, массы при помощи весов и др. Прямые измерения широко применяются в машиностроении, а также при контроле технологических процессов (измерение давления, температуры и др.).

Косвенное измерение - измерение, при котором искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. Q = F(X1 Х2,... Xm), где Х1 Х2,... Хm - результаты прямых измерений величин, связанных известной функциональной зависимостью F с искомым значением измеряемой величины Q (например, при измерении сопротивления методом амперметра-вольтметра результатами прямых измерений являются напряжение и сила тока, а результатом косвенных измерений будет сопротивление, найденное по закону Ома). Примеры косвенных измерений: определение объема тела по прямым измерениям его геометрических размеров, нахождение удельного электрического сопротивления проводника по его сопротивлению, длине и площади поперечного сечения. Косвенные измерения широко распространены в тех случаях, когда искомую величину невозможно или слишком сложно измерить непосредственно или когда прямое измерение дает менее точный результат. Роль их особенно велика при измерении величин, недоступных непосредственному экспериментальному сравнению, например размеров астрономического или внутриатомного порядка.

Совокупные измерения - производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин определяют путем решения системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин (например, определение массы отдельных гирь набора по известной массе одной из них). Совместные измерения - проводимые одновременно измерения двух или нескольких не одноименных величин для определения зависимости между ними (например, снятие вольт-амперной характеристики диода).

По способу выражения результатов измерения подразделяются на абсолютные и относительные: Абсолютное измерение - измерение, основанное на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значений физических констант. Результат измерений выражается непосредственно в единицах физической величины. Примером абсолютных измерений может служить определение длины в метрах, силы электрического тока в амперах, ускорения свободного падения в метрах на секунду в квадрате. Относительное измерение - измерение отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или изменения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную (например, определение коэффициента усиления как отношения напряжений на входе и выходе устройства). Величина, полученная в результате относительных измерений, может быть или безразмерной, или выраженной в относительных логарифмических единицах (бел, октава, декада) и других относительных единицах. В качестве примера относительных измерений можно привести измерение относительной влажности воздуха, определяемой как отношение количества водяных паров в 1 м 3 воздуха к количеству водяных паров, которое насыщает 1 м 3 воздуха при данной температуре.

В зависимости от условий, определяющих точность результата, измерения делятся на три класса: 1)измерения максимально возможной точности, достижимой при существующем уровне техники: эталонные (достигается максимально возможная точность воспроизведения размера физической величины); измерения физических постоянных; астрономические; 2)контрольно-поверочные измерения - измерения, погрешность которых не должна превышать некоторого заданного значения. Для таких измерений применяются образцовые средства измерений, а сами измерения осуществляются в специальных лабораториях; 3)технические (рабочие) измерения - измерения, в которых погрешность результата измерения определяется характеристиками средства измерения. Средства измерений, применяемые для этой цели, называются рабочими.

КЛАССИФИКАЦИЯ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ Средство измерений - техническое средство (или их комплекс), предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимается неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени. По своему техническому и метрологическому назначению, согласно ГОСТ ГСИ, средства измерений подразделяются следующим образом: меры - средства измерений, предназначенные для воспроизведения физической величины заданного размера; измерительные приборы- средства измерений, предназначенные для получения измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем; измерительные преобразователи - средства измерений, предназначенные для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейших преобразований, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.

Измерительные приборы делятся на аналоговые и цифровые. Аналоговый измерительный прибор измерительный прибор, показания которого или выходной сигнал являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины Цифровыми называются электроизмерительные приборы, преобразующие определяемую аналоговую величину в кодированный сигнал и представляющий результаты измерения в виде цифрового значения на отсчетном устройстве.

Совокупность различных средств измерений может образовывать: измерительные установки - совокупность расположенных в одном месте и функционально объединенных друг с другом средств измерений, предназначенных для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем; измерительные системы - совокупность средств измерений, предназначенных для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования в автоматических системах управления.

По метрологическому назначению средства измерений подразделяются следующим образом: эталоны - средства измерений (или комплекс средств измерений), обеспечивающие определение, воспроизведение и хранение единицы физической величины с целью передачи размера единицы физической величины образцовым, а от них рабочим средствам измерений и утвержденные в качестве эталона в установленном порядке; образцовые средства измерений - меры, измерительные приборы или измерительные преобразователи, имеющие высокую точность и предназначенные для поверки и градуировки по ним других средств измерений, в установленном порядке утвержденные в качестве образцовых; рабочие - средства измерений, применяемые для измерений, не связанных с передачей размера единиц.

Поверка - совокупность операций, выполняемых органами государственной метрологической службы (другими уполномоченными на то органами, организациями) с целью определения и подтверждения соответствия средства измерений установленным техническим требованиям Эталоны так же нуждаются в периодической поверке. Для этого используются эталоны более высокого уровня. Для каждой основной величины существует государственный (национальный) эталон и специальная методика поверок, позволяющая «передать» характеристики измеряемой величины через цепочку промежуточных эталонов до рабочего средства измерения.

Калибровка средства измерений - это совокупность операций, выполняемых калибровочной лабораторией с целью определения и подтверждения действительных значений метрологических характеристик и (или) пригодности средства измерений к применению в сферах, не подлежащих государственному метрологическому контролю и надзору в соответствии с установленными требованиями. Результаты калибровки средств измерений удостоверяются калибровочным знаком, наносимым на средства измерений, или сертификатом о калибровке, а также записью в эксплуатационных документах. Поверку (обязательная госповерка) может выполнять, как правило, орган государственной метрологической службы, а калибровку - любая аккредитованная и неаккредитованная организация. Поверка обязательна для средств измерений, применяемых в сферах, подлежащих Государственному метрологическому контролю (ГМК), калибровка же - процедура добровольная, поскольку относится к средствам измерений, не подлежащим ГМК.

КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЙ Измерения базируются на определенных принципах. Принцип измерения - совокупность физических явлений, на которых основаны измерения. Метод измерения - совокупность использования принципов и средств измерений.

Различают два основных метода измерений: метод непосредственной оценки и метод сравнения. Метод непосредственной оценки - метод измерения, при котором значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия. Иногда этот метод называют методом прямого преобразования. Метод сравнения - метод измерения, при котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.

Метод сравнения может реализовываться в следующих модификациях: нулевой метод (компенсационный) - метод, при котором результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля; дифференциальный метод - метод, при котором формируют и измеряют разность измеряемой и известной величины, воспроизводимой мерой; метод совпадений- метод, при котором разность измеряемой и известной величины измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов; метод противопоставления - метод, при котором измеряемая и известная величины одновременно воздействуют на прибор сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение между этими величинами.

ПОГРЕШНОСТИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ Погрешность средств измерений - это отличие показания измерительного прибора от действительного значения измеряемой величины. Она включает в себя в общем случае систематическую и случайную составляющие. ГОСТ ГСИ «Нормируемые метрологические характеристики средств измерений» предусматривает следующие показатели точности средств измерений: предел, математическое ожидание и среднеквадратическое отклонение опускаемой систематической составляющей погрешности; предел допускаемого среднеквадратического отклонения и автокорреляционная функция или спектральная плотность случайной составляющей погрешности.

1. Абсолютная погрешность - погрешность средства измерений, выраженная в единицах измеряемой физической величины. Абсолютная погрешность вычисляется, как разность между показанием средства измерений и истинным (действительным) значением измеряемой физической величины, по формуле : Пределы допускаемой основной абсолютной погрешности могут быть заданы в виде: где Δ - пределы допускаемой абсолютной погрешности, выраженной в единицах измеряемой величины на входе (выходе) или условно в делениях шкалы; x - значение измеряемой величины на входе (выходе) средств измерений или число делений, отсчитанных по шкале; a, b - положительные числа, не зависящие от x.

Мультипликативная погрешность (погрешность чувствительности) Мультипликативная погрешность зависит от измеряемой величины. Аддитивная погрешность (погрешность нуля) Не зависит от измеряемой величины m=bx Абсолютная погрешность определяется как сумма аддитивной и мультипликативной

Относительная погрешность

В зависимости от пределов допускаемой погрешности все средства измерения делятся на классы точности Класс точности средства измерения - это обобщенная характеристика средства измерения, определяемая пределами допускаемых основной и дополнительной погрешностей, а также другими свойствами средства измерения, влияющими на точность, значения которой устанавливаются в стандартах на отдельные виды средств измерений.

Обозначения класса точности могут иметь вид заглавных букв латинского алфавита, римских цифр и арабских цифр с добавлением условных знаков. Если класс точности обозначается латинскими буквами, то класс точности определяется пределами абсолютной погрешности. Если класс точности обозначается арабскими цифрами без условных знаков, то класс точности определяется пределами приведённой погрешности и в качестве нормирующего значения используется наибольший по модулю из пределов измерений: 0,5, 1,6, 2,5 и т. д.- для приборов, приведенная погрешность = /Х N которых составляет 0,5, 1,6, 2,5% от нормирующего значения Х N ( - пределы допустимой абсолютной погрешности). При этом Х N принимается равным бо льшему из модулей пределов измерений, если нулевое значение входного (выходного) сигнала находится на краю или вне диапазона измерений; Так, для вольтметра, работающего в диапазоне измерений 0 30 В, класс точности 1,0 определяет, что указанная погрешность при положении стрелки в любом месте шкалы не превышает 0,3 В.

Если класс точности обозначается арабскими цифрами с галочкой, то класс точности определяется пределами приведённой погрешности, но в качестве нормирующего значения используется длина шкалы 0,5 - то же, что и в предыдущем случае, но при Х N равным длине шкалы или ее части; Если класс точности обозначается арабскими цифрами в кружочке, то класс точности определяется пределами относительной погрешности: 0,1 0,4 - для приборов, у которых относительная погрешность = /х составляет 0,1, 0,4% непосредственно от полученного значения измеряемой величины х;.

0,02/0,01 - для приборов, у которых измеряемая величина не может отличаться от значения х, показанного указателем, больше, чем на [C + d (Х к х - 1)]%, где С и d - числитель и знаменатель соответственно в обозначении класса точности; Х к – бо'льший (по модулю) из пределов измерений прибора. Если класс точности обозначается римскими цифрами, то класс точности определяется пределами относительной погрешности. Наиболее распространенные технические приборы имеют классы точности 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5. Этими цифрами обозначают класс точности на шкалах.

Стандартизация – это установление и применение правил с целью упорядочения деятельности в определённой области на пользу и при участие всех заинтересованных сторон, в частности для достижения всеобщей оптимальной экономии при соблюдении условий эксплуатации и требований безопасности. Сертификация – это одна из форм подтверждения соответствия какого- либо объекта заданным требованиям.

Стандартизация, метрология и сертификация являются инструментами обеспечения качества продукции, работ и услуг Стандартизация в метрологии – определение и использование правил для организации метрологического обеспечения деятельности всех сторон участвующих в производственном процессе. Целями и направлениями стандартизации в метрологии являются: Определение основных требований к качеству произведенного продукта, для этого стандартизуют исходное сырье и комплектующие. Разработка критериев качества продукта или системы качества, с определением средств метрологического контроля и испытаний. Повышение унификации продукции. Обеспечение единства измерений. создание эталонов.