Основы технических измерений

       Технические системы и устройства с измерительными функциями — технические системы и устройства, которые наряду с основными выполняют и измерительные функции. Они имеют один или несколько измерительных каналов.

       Примерами таких систем являются игровые автоматы, диагностическое оборудование.

       По метрологическому назначению все СИ подразделяются на два вида: рабочие СИ и эталоны.

       Рабочие СИ (РСИ) предназначены для проведения технических измерений. По условиям применения они могут быть: 1) лабораторными, используемыми при научных исследованиях, проектировании технических устройств, медицинских измерениях; 2) производственными, используемыми для контроля характеристик технологических процессов, контроля качества готовой продукции, контроля отпуска товаров; 3) полевыми, используемыми непосредственно при эксплуатации таких технических устройств как самолеты, автомобили, речные и морские суда и др.

К каждому виду РСИ предъявляются специфические бования:

• к лабораторным — повышенная точность и чувствительность;
• к производственным — повышенная стойкость к ударно-вибрационным нагрузкам, высоким и низким температурам;
• к полевым — повышенная стабильность в углов резкого перепада температур, высокой влажности.

       Эталоны являются высокоточными СИ, а поэтому пользуются для проведения метрологических измерений в качестве средств передачи информации о размере единицы Размер единицы передается «сверху вниз», от более точных СИ к менее точным «по цепочке»: первичный эталон -вторичный эталон — рабочий эталон 0-го разряда - рабочий эталон 1-го разряда... — рабочее средство измерений.

       Передача размера осуществляется в процессе поверки СИ. Целью поверки является установление пригодности СИ к применению.

       Соподчинение СИ, участвующих в передаче размера единицы от эталона к РСИ, устанавливается в поверочных схемах СИ .

       Эталонная база в дальнейшем будет развиваться в количественном и главным образом в качественном отношении. Перспективно создание многофункциональных эталонов, т.е. эталонов, воспроизводящих на единой конструктивной и метрологической основе не одну, а несколько единиц физических величин или одну единицу, но в широком диапазоне измерений. Так, метрологические институты страны создают единый эталон времени, частоты и длины, который позволит, кстати, уменьшить погрешность воспроизведения единицы длины до 1 • 10^-11

     Если технический уровень первичных эталонов в России агодаря успехам науки и энтузиазму ученых можно оценить как вполне удовлетворительный, то состояние парка СИ, находящихся в практическом обращении, прежде всего рабочих эталонов и РСИ, внушает тревогу. Если в 1980-х гг. к обновления отечественной измерительной техники, как правило, составлял пять-шесть лет (для сравнения: в США и Японии — не более трех лет), то наблюдаемый сейчас регресс в области отечественного приборостроения еще больше увеличил сроки обновления рабочих эталонов и РСИ, что ведет значительному старению измерительной техники .

       Другой проблемой отечественных производителей СИ является высокая стоимость их разработок в сравнении с зарубежными фирмами. Для преодоления традиционного отстаивания необходимо также в отечественных приборах предусматривать: высокую степень автоматизации на базе микропроцессорной технологии, быстродействие, высокую надежность, пониженные массу, габариты и энергопотребление, высокий уровень эстетики и эргономики.

       Многообразие  СИ обусловливает необходимость применения специальных мер по обеспечению единства измерений [1, c. 172-173]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАТЕРИСТИКИ СРЕДСВ ИЗМЕРЕНИЙ

 

       Метрологические свойства СИ — это свойства, влияющие на результат измерений и его погрешность. Показатели метрологических свойств являются их количественной характеристикой и называются метрологическими характеристиками.

       Метрологические характеристики, устанавливаемые нормативным документом, называют нормируемыми метрологическими характеристиками.

       Все метрологические свойства СИ можно разделить на две группы:

       1) свойства, определяющие область применения СИ;

       2) свойства, определяющие точность (правильность и прецизионность) результатов измерения.

       К основным метрологическим характеристикам, определяющим свойства первой группы, относятся диапазон измерений и порог чувствительности.

       Диапазон измерений — область значений величины, в пределах которых нормированы допускаемые пределы погрешности. Значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу или сверху (слева и справа), называют соответственно нижним или верхним пределом измерений.

       Порог чувствительности — наименьшее изменение измеряемой величины, которое вызывает заметное изменение выходного сигнала. Например, если порог чувствительности весов равен 10 мг, то это означает, что заметное перемещение стрелки весов достигается при таком малом изменении массы, как 10 мг.

       К метрологическим свойствам второй группы относя два главных свойства точности: правильность и прецизиность результатов.

       К метрологическим характеристикам, определяю точность относятся погрешности СИ.

       Погрешность средства измерений - это разность между показаниями СИ и действительным значением измеряемой величины. Поскольку истинное значение физической величины неизвестно, то на практике пользуются ее действительным значением. Для рабочего СИ за действительное значение принимают показания рабочего эталона низшего разряда (допустим, 4-го), для эталона 4-го разряда, в свою очередь, — значение величины, полученное с помощью рабочего эталона 3-го разряда. Таким образом, за базу для сравнения принимают значение СИ, которое является в поверочной схеме вышестоящим по отношению к подчиненному СИ, подлежащему поверке:

∆Х_п = Х_п - Х₀        (3)

где ∆Х_п — погрешность поверяемого СИ; Х_п — значение той же самой величины, найденное с помощью поверяемого СИ; Х₀ — значение СИ, принятое за базу для сравнения, т.е. действительное значение.

       Погрешности СИ могут быть классифицированы по ряду признаков, в частности:

• по способу выражения — абсолютные, относительные;
• по характеру проявления — систематические, случайные;
• по отношению к условиям применения — основные, дополнительные.

       Наибольшее распространение получили метрологические свойства, связанные с первой группировкой — с абсолютными и относительными погрешностями. Определяемая по формуле (3) ∆Х_п является абсолютной погрешностью. Однако в большей степени точность СИ характеризует относительная погрешность (δ), т.е. выраженное в процентах отношение абсолютной погрешности к действительному значению величины, измеряемой или воспроизводимой данным СИ:

       δ =100*∆Х_п/Х_о

       Точность может быть выражена обратной величиной относительной погрешности — 1/ δ. Если погрешность δ = 0,1%, или 0,001=10^-3, то точность равна 10³[1, c. 176].

       В стандартах нормируют характеристики, связанные с другими погрешностями.

       Систематическая погрешность — составляющая погрешности результата измерения, остающаяся постоянной (или же закономерно изменяющейся) при повторных измерениях одной и той же величины. Ее примером может быть погрешность градуировки, в частности погрешность показаний прибора с круговой шкалой и стрелкой, если ось последней смещена на некоторую величину относительно центра шкалы. Если эта погрешность известна, то ее исключают из результатов разными способами, в частности введением поправок. При химическом анализе систематическая погрешность проявляется в случаях, когда метод измерений не позволяет полностью выделить элемент или когда наличие одного элемента мешает определению другого.

       При нормировании систематической составляющей погрешности СИ устанавливают пределы допускаемой систематической погрешности СИ конкретного типа — D.

       Величина систематической погрешности определяет такое метрологическое свойство, как правильность измерений СИ, — это первая составляющая точности.

       Случайная погрешность — составляющая погрешности результата измерения, изменяющаяся случайным образом (по знаку и значению) в серии повторных измерений одного и того же размера величины с одинаковой тщательностью. В появлении этого вида погрешности не наблюдается и какой-либо закономерности. Они неизбежны и неустранимы, всегда присутствуют в результатах измерения. При многократном и достаточно точном измерении они порождают рассеяние результатов.

       Характеристиками рассеяния являются средняя арифметическая погрешность, средняя квадратическая погрешность, размах результатов измерений. Поскольку рассеяние носит вероятностный характер, то при указании на значения случайной погрешности задают вероятность.

       Величина случайной погрешности определяет вторую составляющую точности – прецизионность.

       Оценка погрешности измерений СИ, используемых для определения показателей качества товаров, определяется спецификой применения последних. Например, погрешность измерения цветового тона керамических плиток для внутренней отделки жилища должна быть по крайней мере на порядок ниже, чем погрешность измерения аналогичного показателя серийно выпускаемых картин, сделанных цветной фотопечатью. Дело в том, что разнотонность двух наклеенных рядом на стену кафельных плиток будет бросаться в глаза, тогда как разнотонность отдельных экземпляров одной картины заметно не проявится, так как они используются разрозненно.

       Номенклатура нормируемых метрологических характеристик СИ определяется назначением, условиями эксплуатации многими другими факторами. У СИ, применяемых высокоточных измерений, нормируется до десятка и болee метрологических характеристик в стандартах технических требований (технических условий) и ТУ. Нормы на ровные метрологические характеристики приводятся в эксплуатационной документации на СИ. Учет всех нормируемых характеристик необходим при измерениях высокой точности и в метрологической практике. В повседневной производственной практике широко пользуются обобщенной характеристикой — классом точности.

       Класс точности СИ — обобщенная характеристика, выражаемая пределами допускаемых (основной и дополнительной) погрешностей, а также другими характеристиками влияющими на точность. Классы точности конкретного типа СИ устанавливают в НД. При этом для каждого класса точности устанавливают конкретные требования к метрологическим характеристикам, в совокупности отражающим уровень точности СИ данного класса.

       Класс точности позволяет судить о том, в каких пределах находится погрешность измерений этого класса [1, c. 177].

5. ОСНОВЫ ТЕОРИИ И МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ

 

       Основной  постулат метрологии. Выше, при рассмотрении количественной характеристики измеряемых величин, упомянуто уравнение измерения, в котором отражена процедура сравнения неизвестного размера Q с известным [Q]:Q/[Q] = X В качестве единицы измерения [Q] при измерении величин выступает соответствующая единица Международной системы единиц. Информация о ней заложена либо в градуированной характеристике СИ, либо в разметке шкалы отсчетного устройства, либо в значении вещественной меры. Указанное уравнение является математической моделью измерения по шкале отношений.

       Теоретически отношение двух размеров должно быть вполне определенным, неслучайным числом. Но практически меры сравниваются в условиях множества случайных и неслучайных обстоятельств, точный учет которых невозможен. Поэтому при многократном измерении одной и той же величины постоянного размера результат, называемый отсчетом по шкале отношений, получается все время разным. Это положение, установленное практикой, формулируется в виде аксиомы, являющейся основным постулатом метрологии: отсчет является случайным числом.