Метрология, стандартизация и сертификация (стр. 2 )

Международная система единиц благодаря своим преимуществам получила широкое распространение в мире. Так, все страны Европейского Союза перешли на единицы СИ. Страны, где ранее традиционно применялась английская система мер (Великобритания, Австралия, Канада, США и др.) так же внедряют единицы СИ.

3. Измерения и средства измерений

3.1. Классификация измерений

Измерение является важнейшим понятием в метрологии. Под измерением понимают установление значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.

Во всех случаях проведения измерений независимо от измеряемой величины, метода и средства измерений есть общее, что составляет основу измерений – это сравнение опытным путем данной величины с другой, подобной ей, принятой за единицу. При всяком измерении мы, с помощью эксперимента, оцениваем физическую величину в виде некоторого числа, принятых для нее за единицу величин, т. е. находим ее значение.

Схема получения количественной оценки (измерения) свойства объекта.

Существует несколько видов измерений. При их классификации исходят из: характера зависимости измеряемой величины от времени; способа получения результатов; условий, определяющих точность результата измерений, способов получения информации, по признаку измеряемой величины (см. таблицу 3).

Классификация измерений

Таблица 3.

По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения разделяются на: статические (измеряемая величина остается постоянной во времени, например, измерения размеров объектов, постоянной температуры, давления и т. д.) и динамические (измеряемая величина постоянно изменяется во времени, например, пульсирующие давления, вибрация и т. д.).

По способу получения результатов измерения разделяют на прямые и косвенные. Прямым называется измерение, при котором искомое значение физической величины получают непосредственно из опытных данных. Прямые измерения можно выразить формулой Q = X, где Q – искомое значение физической величины, а X – значение, непосредственно получаемое из опытных данных. Например, измерения размеров тел линейкой, массы – при помощи весов, измерение давления и температуры при контроле технологических процессов.

Косвенным называют измерение, при котором искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. При косвенных измерениях измеряют не собственно определяемую величину, а другие величины, функционально с нею связанные. Значение измеряемой величины находят путем вычисления по формуле:

Q = f (Xb…Xn), (3)

где Q – искомое значение величины; (Xb…Xn) – значения величин, определяемых прямым измерением; f – знак функциональной зависимости, форма которой и природа связанных ею величин заранее известны. Примерами косвенных измерений могут служить: измерение содержания элементов в образцах методами химического, фотометрического и других анализов.

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

1 – измерения максимально возможной точности, достижимой при существующем уровне техники. Это – эталонные измерения, связанные с максимально возможной точностью воспроизведения единиц физических величин; измерения физических констант, прежде всего универсальных, например, абсолютного значения ускорения свободного падения;

2 - контрольно-поверочные измерения, погрешность которых не должна превышать заданного значения. Сюда относятся измерения, выполняемые госу­дарственными метрологическими центрами, поверочными и калибровочными лабораториями предприятий;

3 - технические измерения, в которых погрешность результата определя­ется характеристиками средств и методик измерений. Это - измерения, выпол­няемые в процессе производства на предприятиях различных отраслей промышленности.

По способу выражения результатов измерений различают: абсолют­ные, которые основаны на прямых измерениях одной или нескольких основных величин или на использовании физических констант. Например, определение длины в метрах, силы электрического тока в амперах, ускорения свободного падения в метрах на секунду в квадрате; относительные - это измерения от­ношения величины к одноименной, играющей роль единицы, или величины по отношению к одноименной, принимаемой за исходную. Например, измерение относительной влажности воздуха, определяемой как отношение количества водяных паров в одном кубическом метре воздуха к количеству водяных паров, которое насыщает один кубический метр воздуха при данной температуре.

3.2. Основные характеристики измерений

Погрешность - отклонение результатов изме­рения от истинного значения измеряемой величины. По­грешность возникает из-за несовершенства процесса изме­рений.

Конкретные причины и характер проявления погрешно­стей весьма разнообразны. Соответственно их классифици­руют по многим критериям.

По способу выражения - абсолютные и от­носительные погрешности.

Абсолютная погрешность измерения - погрешность измерения, выраженная в единицах измеряемой величины. Относительная погрешность измерения - отношение абсолютной погрешности измерения к истинному значению измеряемой величины.

По характеру проявления - систематиче­ские и случайные погрешности.

Систематическая погрешность измерения - составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или зако­номерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же физической величины. В зависимости от характера изменения систематические погрешности подразделяют на постоянные, пропорциональные и погрешности, изменяю­щиеся по сложному закону.

Постоянные погрешности длительное время сохраняют свое значение, в частности, в течение всего периода выполнения измерений. Они встречаются наиболее часто. Хорошим при­мером такого вида систематической погрешности является постоянное, отличное от нуля значение холостого опыта.

Пропорциональные погрешности изменяются пропорциональ­но значению измеряемой величины.

В зависимости от причин возникновения систематические погрешности подразделяют на инструментальные, погрешно­сти метода измерений, субъективные, погрешности вследст­вие несоблюдения установленных условий измерений.

Инструментальные (аппаратурные) погрешности измерений обусловлены погрешностями применяемого средства измере­ния. Они возникают из-за износа деталей и прибора в целом, излишнего трения в механизме прибора, неточного нанесения штрихов при калибровке.

Погрешности метода измерений (теоретические) обусловле­ны несовершенством принятого метода измерений. Они яв­ляются следствием упрощенных представлений о явлениях и эффектах, лежащих в основе измерений.

Случайная погрешность измерения - составляющая по­грешности измерения, изменяющаяся случайным образом (по знаку и значению) при повторных измерениях одной и той же величины. Случайные погрешности неизбежны и неустра­нимы и всегда присутствуют в результатах измерений. Они вызывают рассеяние числовых значений измеряемой величи­ны (различие их в последних значащих цифрах) при много­кратном и достаточно точном ее измерении при неизменных условиях.

Кроме того, выделяют грубую погрешность измерения - погрешность, существенно превышающую ожидаемую при данных условиях проведения измерений.

Погрешность и неопределенность результата измерения

Погрешность ΔX = X изм. – X истин.

Истинное значение неизвестно, это порождает неопределенность результата измерения.

Абсолютная погрешность СИ ΔХ = Х изм. – Х действ.

Относительная погрешность СИ δ = ΔХ / Х действ.

Приведенная погрешность СИ γ= ΔХ / Х верх. предела

Основная погрешность СИ - погрешность в нормальных условиях

Дополнительная погрешность СИ – изменение погрешности из–за отклонения влияющей величины

Систематическая погрешность – составляющая погрешности СИ, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся

Случайная погрешность – составляющая погрешности СИ, изменяющаяся случайным образом

Неопределенность измерений – параметр*, связанный с результатом измерений и характеризующий рассеяние значений, которые можно приписать измеряемой величине. (РМГ 29 – 99).

*Параметром может быть СКО или половина интервала, имеющего указанный доверительный уровень

Основными характеристиками измерений являются: принцип, метод, по­грешность измерений, точность, сходимость и воспроизводимость результатов измерений.

Дадим определения этим характеристикам.

Принцип измерений - физическое явление или эффект, положенное в основу измерений. Например, измерение температуры с использованием термо­электрического эффекта.

Метод измерений - прием или совокупность приемов сравнения изме­ряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. Например, определение элементного состава пробы ме­тодом атомно-эмиссионного анализа с индуктивно-связанной плазмой.

Методика выполнения измерений – установленная совокупность операций и правил при измерении, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с гарантированной точностью в соответствии с принятым методом. Обычно методика выполнения измерений регламентируется норматив­ным или техническим документом.

Погрешность результата измерения - отклонение результата измере­ния от истинного (действительного) значения измеряемой величины.

Сходимость результатов измерений - близость друг к другу результа­тов измерений одной и той же величины, выполненных повторно одними и те­ми же средствами, одним и тем же методом в одинаковых условиях и с одина­ковой тщательностью.

Воспроизводимость результатов измерений - близость друг к другу ре­зультатов измерений одной и той же величины, полученных в разных местах, разными методами, разными средствами, разными операторами, в разное вре­мя, но приведенных к одним и тем же условиям измерений (температуре, дав­лению, влажности и др.).

Точность результата измерений - одна из характеристик качества из­мерения, отражающая близость к нулю погрешности результата измерения.

3.3. Методы измерений

Метод измерений — прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным прин­ципом измерений.

Методы измерений классифицируют по нескольким призна­кам.

По общим приемам получения результатов измерений различают: 1) прямой метод измерений; 2) косвенный метод изме­рений. Первый реализуется при прямом измерении, второй — при косвенном измерении, которые описаны выше.

По условиям измерения различают контактный и бесконтак­тный методы измерений.

Контактный метод измерений основан на том, что чувствительный элемент прибора приводится в контакт с объектом измерения (измерение температуры тела термометром).

Бескон­тактный метод измерений основан на том, что чувствительный элемент прибора не приводится в контакт с объектом измере­ния (измерение расстояния до объекта радиолокатором, изме­рение температуры в доменной печи пирометром).

Исходя из способа сравнения измеряемой величины с ее единицей, различают методы непосредственной оценки и метод сравнения с мерой.

При методе непосредственной оценки определяют значение величины непосредственно по отсчетному устройству показывающего средства измерения (термометр, вольтметр и пр.). Мера, отражающая единицу измерения, в измерении не участвует. Ее роль играет в средстве измерения шкала, проградуированная при его производстве с помощью достаточно точных средств измерения.

При методе сравнения с мерой измеряемую величину срав­нивают с величиной, воспроизводимой мерой (измерение мас­сы на рычажных весах с уравновешиванием гирями). Существу­ет ряд разновидностей этого метода: нулевой метод, метод из­мерений с замещением, метод совпадений.

3.4. Средства измерений

Средство измерений - техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности, в течение известного интервала времени.

Приведенное определение раскрывает суть средства измерений, заключающуюся, во-первых, в умении хранить (или воспроизводить) единицу физической величины; во-вторых, в неизменности размера хранимой единицы. Эти важнейшие факторы и делают техническое средство средством измерений. Если размер единицы в процессе измерений изменяется более чем установлено нормами, таким средством нельзя получить результат с требуемой точностью.

Измерять можно лишь тогда, когда техническое средство, предназначенное для этой цели, может хранить единицу, достаточно неизменную по размеру во времени.

Средства измерений включают в себя меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки, измерительные системы.

Мера. К мерам относятся средства измерений, предназначенные для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью.

Существуют следующие разновидности мер:

·  однозначная мера - мера, воспроизводящая физическую величину одного размера (например, гиря 1кг);

·  многозначная мера - мера, воспроизводящая физическую величину разных размеров (например, штриховая мера длины);

·  набор мер - комплект мер разного размера одной и той же физической величины, предназначенных для применения, как в отдельности, так и в различных сочетаниях (набор гирь);

·  магазин мер - набор мер, конструктивно объединенных в единое устройство с приспособлениями для соединения их в различных комбинациях (например, магазин электрических сопротивлений).

Измерительный преобразователь - это техническое средство с нормированными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи. Измерительные преобразователи являются конструктивно обособленными элементами и самостоятельно для измерений не применяются. Они входят в состав измерительной установки, измерительной системы или применяются вместе с каким-либо средством измерений (например, термоэлектрический преобразователь).

Измерительный прибор - это средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне.

По способу индикации значений измеряемой величины измерительные приборы разделяются на показывающие и регистрирующие.

Различают также приборы прямого действия и приборы сравнения, аналоговые и цифровые, самопишущие и печатающие приборы.

Измерительная установка - совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенная для измерений одной или нескольких физических величин и расположенная в одном месте (например, установка для поверки счетчиков электрической энергии).

Измерительная система - совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств. Они размещаются в разных точках контролируемого объекта с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в разных целях (например, измерительная система электростанции, позволяющая получить измерительную информацию о ряде физических величин в разных энергоблоках).

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3