Введение в метрологию

Статическими измерениями  являются, например, измерения размеров тела, постоянного давления, динамическими - измерения пульсирующих давлений, вибраций.

По способу получения  результатов измерений их разделяют  на

• прямые;
• косвенные;
• совокупные;
• совместные.

Прямые - это измерения, при которых искомое значение физической величины находят непосредственно из опытных данных. Прямые измерения можно выразить формулой , где   - искомое значение измеряемой величины, а   - значение, непосредственно получаемое из опытных данных.

При прямых измерениях экспериментальным  операциям подвергают измеряемую величину, которую сравнивают с мерой непосредственно  или же с помощью измерительных  приборов, градуированных в требуемых  единицах. 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.).

Косвенные - это измерения, при которых искомую величину определяют на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям, т.е. измеряют не собственно определяемую величину, а другие, функционально с ней связанные. Значение измеряемой величины находят путем вычисления по формуле  , где   - искомое значение косвенно измеряемой величины;   - функциональная зависимость, которая заранее известна,  - значения величин, измеренных прямым способом.

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 - это производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомую определяют решением системы уравнений, получаемых при пря-мых измерениях различных сочетаний этих величин.

Примером совокупных измерений  является определение массы отдельных  гирь набора (калибровка по известной  массе одной из них и по результатам  прямых сравнений масс различных  сочетаний гирь).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.Средства измерений и их метрологические характеристики

Для практического измерения единицы  величины применяются технические  средства, которые имеют нормированные  погрешности и называются средствами измерений. К средствам измерений относятся: меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки и системы, измерительные принадлежности.

Мерой называют средство измерения, предназначенное для воспроизведения физических величин заданного размера. К данному виду средств измерений относятся гири, концевые меры длины и т.п. На практике используют однозначные и многозначные меры, а также наборы и магазины мер. Однозначные мерывоспроизводят величины только одного размера (гиря). Многозначные меры воспроизводят несколько размеров физической величины. Например, миллиметровая линейка дает возможность выразить длину предмета в сантиметрах и в миллиметрах.

Наборы и магазины представляют собой объединение (сочетание) однозначных  или многозначных мер для получения  возможности воспроизведения некоторых  промежуточных или суммарных  значений величины. Набор мер представляет собой комплект однородных мер разного размера, что дает возможность применять их в нужных сочетаниях. Например, набор лабораторных гирь. Магазин мер — сочетания мер, объединенных конструктивно в одно механическое целое, в котором предусмотрена возможность посредством ручных или автоматизированных переключателей, связанных с отсчетным устройством, соединять составляющие магазин меры в нужном сочетании. По такому принципу устроены магазины электрических сопротивлений.

К однозначным мерам относят стандартные образцы и стандартные вещества. Стандартный образец — это должным образом оформленная проба вещества (материала), которая подвергается метрологической аттестации с целью установления количественного значения определенной характеристики. Эта характеристика (или свойство) является величиной с известным значением при установленных

условиях внешней среды. К подобным образцам относятся, например, наборы минералов с конкретными значениями твердости (шкала Мооса) для определения этого параметра у различных минералов.

Стандартным образцом является образец чистого цинка, который служит для воспроизведения температуры 419,527°С по международной температурной шкале МТШ-90.

При пользовании мерами следует  учитывать номинальное и действительное значения мер, а также погрешность  меры и ее разряд. Номинальным называют значение меры, указанное на ней. Действительное значение меры должно быть указано в специальном свидетельстве как результат высокоточного измерения с использованием официального эталона.

Разность между номинальным  и действительным значениями называется погрешностью меры. Величина, противоположная по знаку погрешности, представляет собой поправку к указанному на мере номинальному значению. Поскольку при аттестации (поверке) также могут быть погрешности, меры подразделяют на разряды (1-го, 2-го и т.д. разрядов) и называют разрядными эталонами (образцовые измерительные средства), которые используют для поверки измерительных средств. Величина погрешности меры служит основой для разделения мер на классы, что обычно применимо к мерам, употребляемым для технических измерений.

Измерительный преобразователь — это средство измерений, которое служит для преобразования сигнала измерительной информации в форму, удобную для обработки или хранения, а также передачи в показывающее устройство. Измерительные преобразователи либо входят в конструктивную схему измерительного прибора, либо применяются совместно с ним, но сигнал преобразователя не поддается непосредственному восприятию наблюдателем. Например, преобразователь может быть необходим для передачи информации в память компьютера, для усиления напряжения и т.д. Преобразуемую величину называют входной, а результат преобразования — выходной величиной. Основной метрологической характеристикой измерительного преобразователя считается соотношение между входной и выходной величинами, называемое функцией преобразования.

Преобразователи подразделяются на первичные (непосредственно воспринимающие измеряемую величину), передающие, на выходе которых  величина приобретает форму, удобную  для регистрации или передачи на расстояние; промежуточные, работающие в сочетании с первичными и  не влияющие на изменение рода физической величины.

Измерительные приборы — это средства измерений, которые позволяют получать измерительную информацию в форме, удобной для восприятия пользователем. Различаются измерительные приборы прямого действия и приборы сравнения.

Приборы прямого действия отображают измеряемую величину на показы вающем устройстве, имеющем соответствующую градуировку в единицах это величины. Изменения рода физической величины при этом не происходит К приборам прямого действия относят, например, амперметры, вольтметры, термометры и т.п.

Приборы сравнения предназначаются для сравнения измеряемых величин с величинами, значения которых известны. Такие приборы широко используются в научных целях, а также и на практике для измерения таких величин, как яркость источников излучения, давление сжатого воздуха и др.

Измерительные установки и системы  — это совокупность средств измерений, объединенных по функциональному признаку со вспомогательными устройствами, для измерения одной или нескольких физических величин объекта измерений. Обычно такие системы автоматизированы и обеспечивают ввод информации в систему, автоматизацию самого процесса измерения, обработку и отображение результатов измерений для восприятия их пользователем. Такие установки (системы) используют и для контроля (например, производственных процессов), что особенно актуально для метода статистического контроля, а также принципа TQM в управлении качеством (см. гл. 6).

Измерительные принадлежности — это  вспомогательные средства измерений  величин. Они необходимы для вычисления поправок к результатам измерений, если требуется высокая степень  точности. Например, термометр может быть вспомогательным средством, если показания прибора достоверны при строго регламентированный температуре; психрометр — если строго оговаривается влажность окружающей среды.

Следует учитывать, что измерительные  принадлежности вносят определенные погрешности  в результат измерений, связанные  с погрешностью самого вспомогательного средства.

По метрологическому назначению средства измерений делят на два вида —  рабочие средства измерений и  эталоны. Рабочие средства измерений применяют для определения параметров (характеристик) технических устройств, технологических процессов, окружающей среды и др. Рабочие средства могут быть лабораторными (для научных исследований), производственными (для обеспечения и контроля заданных характеристик технологических процессов), полевыми (для самолетов, автомобилей, судов и т.п.). Каждый из этих видов рабочих средств отличается особыми показателями. Так, лабораторные средства измерений — самые точные и чувствительные, а их показания характеризуются высокой стабильностью. Производственные обладают устойчивостью к воздействиям различных факторов производственного процесса: температуры, влажности, вибрации и т.п., что может сказаться на достоверности и точности показаний приборов. Полевые работают в условиях, постоянно изменяющихся в широких пределах внешних воздействий.

Особым средством измерений  является эталон.

Метрологическими  характеристиками, согласно ГОСТ 8.009-84, называются технические характеристики, описывающие эти свойства и оказывающие влияние на результаты и на погрешности измерений, предназначенные для оценки технического уровня и качества средства измерений, для определения результатов измерений и расчетной оценки характеристик инструментальной составляющей погрешности измерений.

Характеристики, устанавливаемые нормативно-техническими документами, называются нормируемыми, а определяемые экспериментально —  действительными.

Ниже приведена  номенклатура метрологических характеристик:

• Характеристики, предназначенные для определения результатов измерений (без введения поправок):

- Функция  преобразования измерительного  преобразователя, а также измерительного  прибора с неименованной шкалой; 
- Значение однозначной меры; 
- Цена деления шкалы измерительного прибора или многозначной меры; 
- Вид выходного кода для цифровых средств измерений;

• Характеристики погрешностей средств измерений;

Характеристики  чувствительности средств измерений  к влияющим величинам;

Динамические  погрешности средств измерений (переходная характеристика, АЧХ, АФХ и т.д.).

6.Обработка результатов измерений

Результат измерения, под которым понимают значение величины, определенное при ее измерении, получают после соответственной обработки результатов наблюдений: определяют систематическую составляющую погрешности и исключают промахи. 
 
Систематическую составляющую исключают путем введения поправки   Значение поправки равно абсолютной систематической погрешности   взятой с противоположным знаком:

 
С учетом поправки результат измерения  принимает значение:

Влияние случайной составляющей погрешности можно уменьшить  многократным повторением одного и  того же измерения в одинаковых условиях (с последующей обработкой результата методами математической статистики). Так как вероятность появления  положительных и отрицательных  случайных погрешностей одинакова, то за результат измерений при  достаточно большом их количестве принимают  среднее арифметическое Хср из всех полученных результатов Х1, Х2, Х3, … Хn:

где N - количество измерений. 
 
Случайную погрешность единичного измерения характеризуют среднеквадратичной погрешностью  которая равна:

            

При этом максимальная случайная  погрешность М равна:

 
С учетом систематической и случайной  составляющих погрешности границы  возможных значений измеряемой величины определяются следующими выражениями: