Основной постулат уравнения и шкалы измерений

Основы теории измерений. Основной постулат метрологии. Уравнения и шкалы измерений. Приведите примеры использования шкал измерений

Средством измерения (СИ)называется техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и хранящее единицу физической величины, размер которой принимается неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени.

Средства измерения классифицируют по следующим признакам:

по конструктивному исполнению;

По конструктивному исполнению СИ подразделяются на: меры, измерительные приборы, измерительные преобразователи, измерительные установки, измерительные системы.

Первым постулатом теории измерений является постулат А: в рамках принятой модели объекта исследования существует определенная физическая величина и ее истинное значение.
А1: для данной физической величины объекта измерения существует множество измеряемых величин (и соответственно их истинных значений).

В: истинное значение измеряемой величины постоянно.

В1:для измерения переменной физической величины необходимо определить ее постоянный параметр – измеряемую величину.

С: существует несоответствие измеряемой величины исследуемому свойству объекта (пороговое несоответствие измеряемой величины).

С1: истинное значение измеряемой величины отыскать невозможно.

С2: достижимая точность измерения определяется априорной информацией об объекте измерения.

Шкалой измерений называют порядок определения и обозначения возможных значений конкретной величины или проявлений какого-либо свойства. Понятия шкалы возникли в связи с необходимостью изучать не только количественные, но и качественные свойства природных и рукотворных объектов и явлений.
Различают несколько типов шкал.
1. Шкала наименований (классификации) – это самая простая шкала, которая основана на приписывании объекту знаков или цифр для их идентификации или нумерации.
2. Шкала порядка (ранжирования) —упорядочивает объекты относительно какого-либо их свойства в порядке убывания или возрастания, например, землетрясений, силы ветра.
3. Шкала интервалов (разностей) содержит разность значений физической величины.
4. Шкала отношений — это шкала интервалов с естественным (не условным) нулевым значением и принятые по соглашению единицы измерений.
5. Абсолютные шкалы — это шкалы отношений, в которых однозначно (а не по соглашению) присутствует определение единицы измерения.
6. Условные шкалы — шкалы, исходные значения которых выражены в условных единицах. К таким шкалам относятся шкалы наименований и порядка.

Примером из шкалы мнтервалов такой шкалы являются различные шкалы времени, начало которых выбрано по соглашению (от Рождества Христова, от переселения пророка Мухаммеда из Мекки в Медину). Другими примерами шкалы интервалов являются шкала расстояний и температурная шкала Цельсия. Результаты измерений по этой шкале (разности) можно складывать и вычитать.

29.Погрешности. Классификация. Причины возникновения, способы обнаружения, пути устранения. Приведите пример обнаружения погрешностей. (+правило трех сигм)

Погрешность измерения — оценка отклонения измеренного значения величины от её истинного значения. Погрешность измерения является характеристикой (мерой) точности измерения.

Классификация погрешностей по способу выражения (абс., отн., привед.) и по влиянию внешних условий (осн. и дополн.)
^ Абсолютная погрешность– это значение, вычисляемое как разность между значением величины, полученным в процессе измерений, и настоящим (действительным) значением данной величины.
^ Абсолютная погрешность меры– это значение, вычисляемое как разность между числом, являющимся номинальным значением меры, и настоящим (действительным) значением воспроизводимой мерой величины.
^ Относительная погрешность– это число, отражающее степень точности измерения.
Приведенная погрешность– это значение, вычисляемое как отношение значения абсолютной погрешности к нормирующему значению.
^ Инструментальная погрешность– это погрешность, возникающая из-за допущенных в процессе изготовления функциональных частей средств измерения ошибок.
^ Методическая погрешность– это погрешность, возникающая по следующим причинам:
1) неточность построения модели физического процесса, на котором базируется средство измерения;
2) неверное применение средств измерений.
^ Субъективная погрешность– это погрешность возникающая из-за низкой степени квалификации оператора средства измерений, а также из-за погрешности зрительных органов человека, т. е. причиной возникновения субъективной погрешности является человеческий фактор.
^ Статическая погрешность– это погрешность, которая возникает в процессе измерения постоянной (не изменяющейся во времени) величины.
Динамическая погрешность– это погрешность, численное значение которой вычисляется как разность между погрешностью, возникающей при измерении непостоянной (переменной во времени) величины, и статической погрешностью (погрешностью значения измеряемой величины в определенный момент времени).
^ Аддитивная погрешность– это погрешность, возникающая по причине суммирования численных значений и не зависящая от значения измеряемой величины, взятого по модулю (абсолютного).
^ Мультипликативная погрешность– это погрешность, изменяющаяся вместе с изменением значений величины, подвергающейся измерениям.
Систематическая погрешность– это составная часть всей погрешности результата измерения, не изменяющаяся или изменяющаяся закономерно при многократных измерениях одной и той же величины.
^ Случайная погрешность– это составная часть погрешности результата измерения, изменяющаяся случайно, незакономерно при проведении повторных измерений одной и той же величины.

Погрешности метода возникают также при экстраполяции свойства, измеренного на ограниченной части некоторого объекта, на весь объект, если последний не обладает однородностью измеряемого свойства. Так, считая диаметр цилиндрического вала равным результату, полученному при измерении в одном сечении и в одном направлении, мы допускаем систематическую погрешность, полностью определяемую отклонениями формы исследуемого вала. При определении плотности вещества по измерениям массы и объема некоторой пробы возникает систематическая погрешность, если проба содержала некоторое количество примесей, а результат измерения принимается за характеристику данного вещества вообще.

К погрешностям метода следует отнести также те погрешности, которые возникают вследствие влияния измерительной аппаратуры на измеряемые свойства объекта. Подобные явления возникают, например, при измерении длин, когда измерительное усилие используемых приборов достаточно велико, при регистрации быстропротекающих процессов недостаточно быстродействующей аппаратурой, при измерениях температур жидкостными или газовыми термометрами и так далее.

Способ обнаружения погрешностей:Либо математическим уравнением,либо Одним из наиболее действенных способов обнаружения систематических погрешностей в ряде результатов наблюдений является построение графика последовательности неисправленных значений случайных отклонений результатов наблюдений от средних арифметических.

Основные постулаты теории измерений

Как и любая другая наука, теория измерений (метрология) строится на основе ряда основополагающих постулатов, описывающих ее исходные аксиомы.

Первым постулатом теории измерений является постулат А: в рамках принятой модели объекта исследования существует определенная физическая величина и ее истинное значение.

Если считать, что деталь представляет собой цилиндр (модель – цилиндр), то она имеет диаметр, который может быть измерен. Если же деталь нельзя считать цилиндрической, например, ее сечение представляет собой эллипс, то измерять ее диаметр бессмысленно, поскольку измеренное значение не несет полезной информации о детали. И, следовательно, в рамках новой модели диаметр не существует. Измеряемая величина существует лишь в рамках принятой модели, то есть имеет смысл только до тех пор, пока модель признается адекватной объекту. Так как при различных целях исследований данному объекту могут быть сопоставлены различные модели, то из постулата А вытекает

следствие А1: для данной физической величины объекта измерения существует множество измеряемых величин (и соответственно их истинных значений).

Из первого постулата теории измерений следует, что измеряемому свойству объекта измерений должен соответствовать некоторый параметр его модели. Данная модель в течение времени, необходимого для измерения, должна позволять считать этот параметр неизменным. В противном случае измерения не могут быть проведены.

Указанный факт описывается постулатом В: истинное значение измеряемой величины постоянно.

Выделив постоянный параметр модели, можно перейти к измерению соответствующей величины. Для переменной физической величины необходимо выделить или выбрать некоторый постоянный параметр и измерить его. В общем случае такой постоянный параметр вводится с помощью некоторого функционала. Примером таких постоянных параметров переменных во времени сигналов, вводимых посредством функционалов, являются средневыпрямленные или среднеквадратические значения. Данный аспект отражается в

следствии В1: для измерения переменной физической величины необходимо определить ее постоянный параметр – измеряемую величину.

При построении математической модели объекта измерения неизбежно приходится идеализировать те или иные его свойства.

Модель никогда не может полностью описывать все свойства объекта измерений. Она отражает с определенной степенью приближения некоторые из них, имеющие существенное значение для решения данной измерительной задачи. Модель строится до измерения на основе априорной информации об объекте и с учетом цели измерения.

Измеряемая величина определяется как параметр принятой модели, а его значение, которое можно было бы получить в результате абсолютно точного измерения, принимается в качестве истинного значения данной измеряемой величины. Эта неизбежная идеализация, принятая при построении модели объекта измерения, обусловливает

неизбежное несоответствие между параметром модели и реальным свойством объекта, которое называется пороговым.

Принципиальный характер понятия «пороговое несоответствие» устанавливается постулатом С: существует несоответствие измеряемой величины исследуемому свойству объекта (пороговое несоответствие измеряемой величины).

Пороговое несоответствие принципиально ограничивает достижимую точность измерений при принятом определении измеряемой физической величины.

Изменения и уточнения цели измерения, в том числе и такие, которые требуют повышения точности измерений, приводят к необходимости изменять или уточнять модель объекта измерений и переопределять понятие измеряемой величины. Основной причиной переопределения является то, что пороговое несоответствие ранее принятого определения не позволяет повысить точность измерения до уровня требуемой. Вновь введенный измеряемый параметр модели также может быть измерен лишь с погрешностью, которая в лучшем

случае равна погрешности, обусловленной пороговым несоответствием. Поскольку принципиально невозможно построить абсолютно адекватную модель объекта измерения, то нельзя

устранить пороговое несоответствие между измеряемой физической величиной и описывающим ее параметром модели объекта измерений.

Отсюда вытекает важное следствие С1: истинное значение измеряемой величины отыскать невозможно.

Модель можно построить только при наличии априорной информации об объекте измерения. При этом, чем больше информации, тем более адекватной будет модель и соответственно точнее и правильнее будет выбран ее параметр, описывающий измеряемую физическую величину. Следовательно, увеличение априорной информации уменьшает пороговое несоответствие.

Данная ситуация отражается в следствииС2: достижимая точность измерения определяется априорной информацией об объекте измерения.

Из этого следствия вытекает, что при отсутствии априорной информации измерение принципиально невозможно. В то же время максимально возможная априорная информация заключается в известной оценке измеряемой величины, точность которой равна требуемой. В этом случае необходимости в измерении нет.

Тема 3: Основы теории измерений

Тема 3: Основы теории измерений

1. Понятие измерения и обеспечение единства измерений.

2. Понятие и виды средств измерений.

3. Метрологические характеристики средств измерений.

4. Виды измерений.

5. Принципы и методы измерения.

6. Эталоны как средство обеспечения единства измерений.

7. Калибрование и поверка средств измерений.

1. Понятие измерения и обеспечение единства измерений.

Измерение – это нахождение физической величины экспериментальным путем с помощью специальных технических средств.

Как уже указывалось выше, главной задачей метрологии является обеспечение единства измерений. Единство измерений необходимо для того, чтобы можно было сравнивать результаты измерений, выполненных в разных местах, в разное время, с использованием разных методов и средств измерений.

Единство измерений – это состояние измерений, при котором их результаты выражены в принятых единицах и погрешности измерений известны с заданной вероятностью.

Единство измерений обеспечивается Законом Украины «Об обеспечении единства измерений», а также системой стандартов государственной системы измерений ДСТУ 2681, ДСТУ 2682, ДСТУ 3231, ДСТУ 3214 и др. Деятельность по обеспечению единства измерений осуществляет национальный орган по метрологии – Государственный комитет Украины по вопросам технического регулирования и потребительской политики (Госпотребстандарт). Он утверждает нормативные документы по обеспечению единства измерений, устанавливающие метрологические правила и нормы и подлежащие обязательному применению на территории Украины.

В общем случае измерение физических величин представляет собой многоступенчатый процесс, состоящий как из самой процедуры измерения, так и ряда подготовительных и заключительных процедур, которые необходимо выполнять до и после выполнения самих измерений. Процесс измерения можно разделить на такие этапы:

♦ подготовка и планирования измерений;

♦ обработка и анализ полученных данных;

♦ обеспечение единства измерений.

До начала измерительного эксперимента необходимо решить ряд вопросов подготовки, планирования и организации измерений, основными из которых являются:

Ø цель и задачи измерений;

Ø наличие информации об объекте (предыдущие измерения, диапазон и др.);

Ø модель объекта и физические величины, измеряемые параметры,

Ø условия измерения и величины, которые влияют на ход работы,

Ø погрешности измерений,

Ø методики измерений и др.

Методика выполнения измерений – совокупность операций и правил, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с известной погрешностью.

Результат измерения – значение физической величины, найденное путем ее измерения.

Характеристиками результата измерения (т. е. его качества) являются: точность, достоверность, правильность, сходимость, размер погрешностей измерений:

♦ точность измерения – характеристика качества измерения, которая отображает близость результатов измерения к истинному значению измеряемой физической величины;

♦ достоверность измерений характеризует степень доверия к результатам измерений;

♦ правильность измерений – характеристика качества измерений, которая отображает близость к нулю среднего значения погрешностей их результатов;

♦ сходимость измерений отображает близость повторных результатов измерений одной величины, выполненных в разных условиях (время, место, методики);

♦ достоверность оценки погрешностей определяют на основе законов теории вероятности и математической статистики.

2. Понятие и виды средств измерений

Основой технической базы метрологического обеспечения являются средства измерения.

Средствами измерения называют технические средства, которые используются для измерения физических величин и имеют нормированные метрологические характеристики.

Метрологическими называются те характеристики средств измерений, от которых зависит точность результатов, полученных с их помощью. Нормирование метрологических характеристик заключается в законодательном регламентировании их состава и норм значений.

Под видами средств измерений понимаются: меры, их наборы и магазины, измерительные преобразователи, измерительные приборы, установки и системы.

Мера – это средство измерения, предназначенное для воспроизведения физических величин заданного размера. Однозначные меры воссоздают величины только одного размера (например, гиря в 1 кг). К однозначным мерам относятся стандартные образцы и стандартные величины. Многозначные меры воспроизводят несколько размеров физических величин (например, миллиметровая линейка дает возможность выразить длину предмета в сантиметрах и миллиметрах).

Набор мер – это специально подобранный комплекс однозначных или многозначных мер, которые могут использоваться не только отдельно, но и в разных комбинациях для воспроизведения ряда размеров данной физической величины (например, набор гирь, измерительных резисторов, конденсаторов).

Набор мер, конструктивно объединенных в одно целое с устройством для включения их в разных комбинациях, называется магазином мер. Например, магазин сопротивления, емкости, индуктивности.

Измерительный преобразователь – это средство измерений, преобразующее измерительную информацию в форму, удобную для дальнейшего преобразования, передачи, хранения и обработки, но, как правило, не доступную для непосредственного восприятия наблюдателем (термопары, измерительные усилители и др.).

Преобразуемую величину называют входной, а результат преобразования – выходной величиной. Основной метрологической характеристикой измерительного преобразователя считается соотношение между входной и выходной величинами, которое называется функцией преобразования.

Если в результате преобразования физическая природа величины не изменяется, а функция преобразования является линейной, то преобразователь называется масштабным, или усилителем (усилители напряжения, измерительные микроскопы, электронные усилители). В тех случаях, когда в преобразователе входная величина превращается в другую по физической природе величину, он получает название по видам этих величин (электромеханический, пневмоемкостный и т. д.).

Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для получения измерительной информации в форме, удобной для восприятия наблюдателем, благодаря наличию отсчетного устройства (шкала с указателем, цифровое табло). Например: вольтметр, ваттметр, термометр.

Измерительные приборы состоят из чувствительного элемента, который находится под непосредственным действием физической величины, измерительного механизма и отсчетного приспособления. Отсчетное приспособление показывающего прибора имеет шкалу и указатель, который выполнен в виде материального стержня-стрелки или в виде луча света – светового указателя. Шкала имеет совокупность отметок и проставленных возле некоторых из них чисел отсчета, которые соответствуют ряду последовательных значений величины.

Измерительные преобразователи и приборы объединяют общим названием – измерительные устройства.

Измерительная установка – совокупность расположенных в одном месте и функционально объединенных средств измерений (мер, измерительных преобразователей) и вспомогательных технических средств (стабилизирующих, переключающих), предназначенных для получения измерительных сигналов в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем. Например, установка для испытаний ферромагнитных материалов, для измерения удельного электрического сопротивления электротехнических материалов.

Измерительная система – совокупность средств измерения и вспомогательных устройств, территориально разобщенных и объединенных каналами связи, предназначенная для выработки сигналов в форме, пригодной для автоматической обработки, передачи и (или) использования измерительной информации в автоматизированных системах управления.

Измерительные системы являются разновидностью информационно-измерительных систем (ИИС), к которым принадлежат также системы автоматического контроля, технической диагностики, распознавания образов. ИИС входят в состав автоматизированных систем управления.

2.1. Классификация измерительных приборов

Среди всех видов средств измерений наибольшее распространение имеют измерительные приборы.

Они разнообразны по назначению, принципу действия, метрологическим и эксплуатационным характеристикам. Поэтому их можно классифицировать по многими признаками, но с точки зрения дальнейшего изложения целесообразно ограничиться рассмотрением самых общих классификационных признаков.

По форме измеряемой информации , которая содержится в информативном параметре исходного сигнала, измерительные приборы делятся на аналоговые и цифровые.

Аналоговым называется прибор, информативный параметр исходного сигнала которого является физическим аналогом измеряемой величины – информативного параметра входного сигнала. Например, перемещение подвижной части электродинамического вольтметра – аналог среднего квадратичного значения измерительного напряжения. Наибольшее распространение получили аналоговые приборы, отсчётные устройства которых состоят из двух элементов — шкалы и указателя, причем один из них связан с подвижной системой прибора, а другой — с корпусом.

Цифровым называется прибор, исходный сигнал которого цифровой, т. е. содержит информацию о значении измеренной величины, закодированную в цифровом коде. Показания аналоговых приборов также цифровые, но их аналоговые исходные сигналы квантирует и кодирует в цифровом коде сам наблюдатель (экспериментатор) в процессе отсчета показаний, а в цифровом приборе операции выполняются автоматически.

В цифровых приборах отсчет осуществляется с помощью механических, электронных или других цифровых отсчётных устройств.

По способу отсчета значений измеряемых величин приборы подразделяются на показывающие, в том числе аналоговые и цифровые, и регистрирующие.

Измерительный прибор, который допускает только отсчет показаний, называется показывающим, а прибор, в котором предусмотренная автоматическая фиксация измерительной информации, – регистрирующим.

По способу записи измеряемой величины регистрирующие приборы делятся на самопишущие и печатающие. Самопишущий прибор (самописец) записывает измеряемую информацию в аналоговой форме в виде графика или диаграммы (например, барограф, шлейфовый осциллограф), а печатающий – осуществляет печать измерительной информации в цифровой форме на бумажной ленте.

3. Метрологические характеристики средств измерений

Все средства измерений имеют определенные метрологические характеристики. Схема метрологических характеристик представлена на рис. 3.1.

Меры – это средства измерений в виде тела или устройства, предназначенного для воспроизведения величины одного или нескольких размеров, значение которых известны с необходимой для измерений известной погрешностью.

Меры характеризуются номинальным и действительным значениями.

Номинальное значение меры – это значение величины, которое указано на мере или приписано ей.

Действительное значение меры – это действительное значение величины, которая воссоздается мерой.

Основными метрологическими характеристиками измерительных приборов являются: цена деления шкалы, начальное и конечное значения шкалы, диапазон показаний, граница измерений, вариация показов, стабильность средства измерения, измерительное усилие прибора, класс точности средства измерения.

Цена деления шкалы – это разность значений величины, которая соответствует двум соседним отметкам шкалы. Чувствительность прибора определяется отношением сигнала на выходе прибора к вызванному им изменению измеряемой величины. Если чувствительность постоянна в каждой точке диапазона измерения, то шкала называется равномерной. При неравномерной шкале нормируется наименьшая цена деления шкалы измерительных приборов. У цифровых приборов шкалы в явном виде нет, и на них вместо цены деления указывается цена единицы младшего разряда числа в показании прибора.

Начальное и конечное значение шкалы – это наименьшее и наибольшее значение измеряемой величины, которая определена на шкале.

Диапазон показаний – это область значений измеряемой величины, для которой нормированы допустимые погрешности прибора.

Граница измерений – это наибольшее или наименьшее значение диапазона измерений.

Вариации показаний – это разница показаний прибора, которые соответствуют данной точке диапазона измерений при двух направлениях медленных измерений показаний прибора.

Стабильность средства измерения – это качество средства измерения, которое отражает неизменность во времени его метрологических характеристик.

Измерительное усилие прибора – это сила, создаваемая прибором при контакте с изделием и действующая по линии измерения. Оно, как правило, вызывается пружиной, которая обеспечивает контакт чувствительного элемента прибора, например, измерительного наконечника, с поверхностью измеряемого объекта. При деформации пружины имеет место изменение усилия: разность между наибольшим и наименьшим значениями – это максимальное колебание измерительного усилия.

Класс точности средства измерения – это обобщенная его характеристика, определяемая границами допустимых и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами средств измерения, которые влияют на ее точность и определяются стандартами на отдельные виды средств измерения. Класс точности, хотя и характеризует совокупность метрологических характеристик данного средства измерения, однако не определяет однозначно точность измерений, поскольку последняя зависит от метода измерения и условий их выполнения.

По способу получения числового значения измеряемой физической величины все измерения делятся на прямые, косвенные, совокупные и совместные.

Прямые измерения – измерения, при которых искомое значение физической величины находят экспериментально, сравнивая ее с мерой непосредственно или же с помощью измерительных приборов, градуированных в требуемых единицах (например, измерения длины линейкой, массы – при помощи весов, температуры – термометром и пр.);

Косвенные измерения – это такие измерения, при которых значение измеряемой величины находят 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. Например, мощность Р = I*U находят по результатам измерения напряжения V вольтметром и силы тока І амперметром; объема тела определяют по прямым измерениям его геометрических размеров.

Косвенные измерения широко распространены в тех случаях, когда искомую величину невозможно или слишком сложно измерить непосредственно или когда прямое измерение дает менее точный результат.

Совокупные измерения – проводят одновременно для нескольких одноименных физических величин, значения которых находят методом решения системы уравнений получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин. Например, нахождение токов в сложной электрической сети методом контурных токов.

Совместные измерения – выполняют одновременно для двух и более неодинаковых физических величин для нахождения зависимостей между ними (например, измерение электрического сопротивления при 200 С0 и температурных коэффициентов измерительного резистора по данным прямых измерений его сопротивления при различных температурах).

По характеру зависимости измеряемой величины в процессе измерений измерения разделяются на:

— статические, при которых измеряемая величина остается постоянной во времени (измерения размеров тела, постоянного давления, электрических величин в цепях с установившемся режимом);

— динамические, в процессе которых измеряемая величина изменяется и является непостоянной во времени (измерения пульсирующих давлений, вибраций, электрических величин в условиях протекания переходного процесса).

По количеству измеряемой информации измерения могут быть:

а) однократные – одно измерение одной измеряемой величины, т. е. число измерений равняется числу измеряемых величин. На практике сопряжены с большими погрешностями, поэтому следует проводить не менее трех однократных измерений и находить конечный результат как среднее арифметическое;

б) многократные – характеризуются превышением числа измерений над количеством измеряемых величин.

5. Принципы и методы измерения

Принцип измерения – физическое явление или совокупность физических явлений, которые положены в основу измерения определенной величины. Например, измерение температуры с помощью использования термоэлектрического эффекта, применение эффекта Доплера для измерения скорости, применение эффекта Холла для измерения индукции магнитного поля, использование силы тяжести при измерении массы взвешиванием.

Метод измерения – совокупность способов использования средств измерительной техники и принципов измерений для создания измерительной информации.

В метрологии в процессе измерений шире всего применяются прямые методы измерения, которые обеспечивают определение искомой величины по экспериментальным данным.

К прямым методам измерения относятся: метод непосредственной оценки, метод сравнения с мерой, метод противопоставления, нулевой (компенсационный), дифференциальный и др.

Метод непосредственной оценки заключается в том, что измеряемая величина определяется непосредственно по показателям шкалы измерительного прибора (например, взвешивание на циферблатных весах, измерение давления пружинным манометром). Измерения этим методом проводятся очень быстро, просто и не требуют высокой квалификации, поскольку не нужно усложнять измерительный прибор и выполнять сложные вычисления. Тем не менее, точность таких измерений невысока из-за влияния внешней среды и точности измерительного прибора.

При проведении более точных измерений следует пользоваться методом сравнения с мерой, который заключается в том, что измеряемая величина сравнивается с величиной, воспроизведенной мерой. Результат измерения определяется как сумма значений сравнительной меры и показаний измерительного прибора или принимается равным значению меры (например, измерение веса с помощью рычажных весов и набора гирь.).

Метод противопоставления – это метод сравнения с мерой, когда измеренная и воспроизведенная мерой величины одновременно действуют на прибор сравнения, с помощью которого определяется соотношение между этими величинами. Значение искомой величины определяется после достижения равновесия по значению уравновешивающей величины. Например, на рычажных весах масса взвешенного груза определяется по массе поставленных весов.

Нулевой (компенсационный) метод состоит в сравнении измеряемой величины с мерой, а результирующий эффект действия величин на прибор доводится до нуля, что фиксируется высокочувствительным прибором — нуль-индикатором. Этот метод широко используется в автоматических измерительных приборах: автоматических мостах, потенциометрах, анализаторах жидкостей, газов и др. На результаты измерений, как правило, почти не влияют внешние факторы и источник питания измерительных электрических схем.

Дифференциальный (разностный) метод заключается в том, что измерительным прибором определяется разница между измеряемой величиной и величиной-мерой. Например, измерение чрезмерного давления в аппаратах относительно атмосферного давления с помощью дифференциального манометра типа ДМ; измерение напряжения постоянного тока с помощью дискретного делителя напряжения, источника образцового напряжения и вольтметра.

Метод сходимости является разновидностью метода сравнения с мерой и заключается в том, что разница между искомой и воспроизведенной мерой величинами измеряется по совпадению шкал или периодических сигналов. Этот метод используется при измерении точных сигналов времени, частоты вращения и т. п.

Кроме перечисленных методов в метрологической практике используются многие другие: интерферентных – для точных измерений линейных величин, фотоэлектрический – в машиностроении и пр.

5.1. Электрические методы измерения неэлектрических величин

При метрологических работах и технологических измерениях параметров широко используются электрические методы измерений неэлектрических величин: температуры, уровня, давления, расхода, разных показателей качества готовой продукции и сырья.

Это связано с тем, что в большинстве случаев технологические линии изготовления продукции имеют довольно большую протяженность, и осуществлять одновременный контроль основных параметров просто невозможно. Поэтому измеряемые технологические параметры превращают в электрические величины-сигналы, которые можно передавать на значительные расстояния. Преобразование неэлектрических величин в электрические позволяет упростить сам процесс измерения, повысить его точность и даже измерить величины, которые раньше никогда не измерялись.

Преобразование неэлектрических величин в электрические сигналы проводится с помощью измерительных преобразователей. Линейные перемещения, деформации чувствительных элементов, преобразованные в электрические сигналы, передаются на значительное расстояние и с помощью воспроизводящих средств превращаются в измеряемую величину.

Для измерения неэлектрических величин довольно широко используются такие электрические методы, как тензоэлектрические, индукционные, фотоэлектрические, пьезоэлектрические и др.

Тензометрический метод основан на использовании тензорезисторов, которые изменяют свое сопротивление под действием деформаций механических чувствительных элементов (например, мембран). Современные тензорезисторы, которые используются в средствах измерения давления типа «Сапфир-22», изготовляются методом плазменного напыления и обеспечивают получение результатов измерений давления с довольно высокой точностью. Тензорезисторы размещаются на специальных сапфирной и металлической мембранах и подсоединяются к мостовой схеме токового преобразователя с унифицированными сигналами 0-5; 0-20; 4-20 mА.

Измерительные преобразователи «Сапфир-22» обеспечивают измерение давлений до 100 МПа, разрежение – до 10

5 МПа, разности давлений – от 2,5 Па до 16 МПа при классах точности ОД; 0,25; 0,5.

Основными преимуществами преобразователей «Сапфир-22» является использование незначительных деформаций чувствительных элементов, что повышает их надежность, стабильность линейных характеристик, а также обеспечивает вибростойкость.

Пьезоэлектрический метод основывается на использовании свойств некоторых кристаллических материалов образовывать электрические заряды на их поверхности под действием приложенной силы. Это явление называется пьезоэффектом. Чаще всего для первичного преобразователя используется монокристалл кварца, что объясняется такими его преимуществами перед другими материалами, как механическая прочность, высокие изоляционные качества, независимость пьезоэлектрических свойств от температуры в широком диапазоне (20 + 400 °С) и негигроскопичность. Кварцевые пластины вырезаются перпендикулярно к электрической оси монокристалла кварца. Под действием давления р на электрических гранях пластины возникают электрические заряды Q=KSp, где K – пьезоэлектрическая постоянная (для кварца К = 2-10

2 Кл/Н); S – эффективная площадь грани, м2. Пьезоэлектрический преобразователь присоединяется к электронному усилителю постоянного тока. Величина сигнала: UС= Q/С, где С – общая емкость измерительного звена.

Благодаря «стеканию» заряда пьезоэлектрические преобразователи используются для измерения динамических нагрузок, давлений, вибраций. Они чрезвычайно жесткие, имеют высокую частоту собственных колебаний и незначительные деформации. Кроме того, они очень малы по размерам. Недостатком пьезоэлектрических преобразователей является их высокое электрическое сопротивление и невозможность использования для статических измерений из-за «стекания» электрического заряда пластин. Верхняя граница измерения давления таких приборов достигает 100 МПа, а за счет увеличения площади пластин (при параллельном их включении) чувствительность преобразователей можно значительно повысить и замерять давления, ниже 1 Па.

Емкостный метод основывается на изменении емкости датчика за счет диэлектрических свойств самой среды. Этот метод можно использовать при измерении уровня, плотности, влажности и других технологических параметров, используя при этом известную формулу плоскостного конденсатора: є/l, где є – диэлектрическая проницательность; S – площадь пластин; l – расстояние между пластинами.

При измерении уровня или влажности между пластинами конденсатора используется диэлектрик, диэлектрическая проникновенность которого значительно высшая за диэлектрическую проницательность воздуха, это и предопределяет изменение емкости в зависимости от высоты заполнения диэлектриком пространства между обкладками конденсатора. Влажность вещества определяется за счет имеющейся влаги в материале – чем больше влаги, тем выше емкость.

Кроме того следует заметить, что емкостные средства измерений успешно используются во взрывоопасных производствах.

Наряду с описанными методами широко применяются индукционные, омические, термоэлектрические и другие методы измерения неэлектрических величин.

6. Эталоны как средство обеспечения единства измерений

Воспроизведение, хранение и передача размеров единиц осуществляется с помощью эталонов и образцовых средств измерения. Высшим звеном в метрологической цепи передачи размеров единиц измерений являются эталоны.

Эталон – это средство измерения (или комплекс средств измерения), которое обеспечивает воспроизведение и хранение единицы физической величины одного или нескольких значений, с целью передачи размера единицы образцовым, а от них рабочим средствам измерения и утвержденное в качестве эталона в установленном порядке.

Эталоны составляют особую группу средств измерения.

Эталоны для непосредственных измерений физической величины не применяются, а используются для передачи размера единиц другим средствам измерений.

Классификация видов эталонов представлена на рис. 3.2.

По точности воспроизведения размеров единиц и по служебному назначению эталоны подразделяются на две группы: первичные и вторичные.

Первичным называют эталон, который обеспечивает воспроизведение и хранение размера физической величины с наивысшей в государстве (по сравнению с другими эталонами той же величины) точностью. Первичные эталоны – это уникальные средства измерений, часто представляющие собой сложнейшие измерительные комплексы, созданные с учетом новейших достижений науки и техники. Они составляют основу государственной системы обеспечения единства измерений.

Вторичным называют эталон, который воссоздает размер единицы физической величины по первичному и периодически сверяется с ним.

Первичные эталоны подразделяются на специальные, государственные, исходные.

Специальный эталон воссоздает единицу в особых условиях, в которых прямая передача размера единицы от существующих эталонов технически невозможна с необходимой точностью (высокое давление, температура и пр.). Он заменяет в этих условиях первичный эталон.

Государственный эталон – это первичный или специальный эталон, официально утвержденный в качестве исходного для страны. Другими словами, это официально утвержденный первичный эталон, который обеспечивает воспроизведение единицы измерений и передачу ее размера другим эталонам с высочайшей в стране точностью.

Государственные эталоны создаются, хранятся и применяются центральными метрологическими научными институтами страны. Точность воспроизведения единицы должна соответствовать уровню лучших мировых достижений и удовлетворять потребностям науки и техники. Государственные эталоны подлежат периодическим сличениям с государственными эталонами других стран.

Исходный эталон – эталон, имеющий наивысшие метрологические свойства среди эталонов, которые есть на предприятии или в организации. От него передают размер единицы подчиненным эталонам и имеющимся средствам измерений. Так, исходным эталоном в стране служит первичный эталон, исходным эталоном для региона, министерства (ведомства) или предприятия может быть вторичный или рабочий эталон.

Вторичные эталоны делятся по своему метрологическому назначению на: эталоны-копии, эталоны-свидетели, эталоны сравнения, рабочие эталоны. Вторичные эталоны создаются и утверждаются в тех случаях, когда это необходимо для организации поверочных работ, для сохранности и меньшего износа государственного эталона.

Эталон-копия – это вторичный эталон, предназначенный для сохранности единицы и передачи ее размера рабочим эталонам. Он создается в случае необходимости проведения большого числа поверочных работ с целью предохранения первичного или специального эталона от преждевременного износа.

Эталон сравнения – это вторичный эталон, предназначенный для сравнения эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличаемы друг с другом.

Эталон-свидетель – это вторичный эталон, предназначенный для проверки сохранности государственного эталона и замены его в случае порчи или утраты. Эталон-свидетель используется лишь тогда, когда государственный эталон является невоспроизводимым. Его основное назначение – обеспечивать возможность контроля постоянства основного эталона.

Рабочий эталон – это вторичный эталон, предназначенный для сохранности единицы и передачи ее размера рабочим средствам измерений. Он предназначен для поверки или калибрования средств измерительной техники.

По количеству входящих в состав эталона средств измерений эталоны подразделяются на одиночные и групповые, а также на эталонные наборы.

Одиночный эталон состоит из одного средства измерения или одной измерительной установки, обеспечивающих воспроизведение и хранение единицы величины самостоятельно, без участия других средств измерения того же типа.

К групповому эталону относится совокупность однотипных средств измерений, применяемых как одно целое для повышения точности.

Эталонный набор представляет собой набор средств измерений, позволяющих хранить и измерять единицу величины в определенном диапазоне, в котором отдельные средства измерений имеют различные номинальные значения и диапазоны измерений.

Международные эталоны сохраняются в Международном бюро мер и весов в Париже.

В Украине хранение и воспроизведение единиц измерений с целью передачи их размеров средствам измерительной техники, которые применяются на территории Украины, обеспечивается государственными эталонами. Государственные эталоны являются исключительно государственной собственностью, утверждаются Государственным комитетом по техническому регулированию и потребительской политике Украины и находятся в его ведении.

Создание, хранение, применение, воспроизведение эталонов регламентировано стандартом Украины ДСТУ 3.231-95 «Метрология. Эталоны единиц физических величин: основные положения, порядок разработки, утверждения, регистрации, хранения и применения». Вопросами разработки, хранения, усовершенствования эталонов занимаются научно-исследовательские институты Государственного комитета по вопросам технического регулирования и потребительской политике Украины (Госпотребстандарт).

7. Калибрование и поверка средств измерения

Калибрование средств измерения – это совокупность операций, выполняемых с целью определения и подтверждения действительных значений метрологических характеристик и (или) пригодности к применению средств измерения, которые не подлежат государственному метрологическому контролю и надзору.

Необходимость проведения калибрования при эксплуатации средств измерительной техники, на которые не распространяется государственный метрологический надзор, определяется их пользователем.

Калибрование проводится метрологическими службами юридических лиц с использованием эталонов, соподчиненных государственным эталонам единиц величин. Результаты калибрования средств измерений заверяются калиброванным знаком, нанесенным на средства измерений, или свидетельством (сертификатом) о калибровании, а также записью в эксплуатационных документах.

В отличие от поверки, которую могут осуществлять только органы государственной метрологической службы, калибрование может проводиться любой метрологической службой – предприятия, организация и министерства и даже физическим лицом при наличии надлежащих условий для квалифицированного выполнения этой работы. Калибрование – добровольная операция, которую может выполнять метрологическая служба предприятия.

Поверка средств измерения – это установление органом государственной метрологической службы пригодности средств измерения к применению на основании результатов контроля их метрологических характеристик и подтверждения их соответствия обязательным требованиям.

Под термином «поверка» понимают определение метрологическим органом погрешностей средств измерительной техники и установление его пригодности для измерений. Поверка является технической формой надзора за единообразием средств измерений.

Государственную поверку средств измерительной техники выполняют органы государственной метрологической службы . Государственной поверке подлежат исходные средства измерительной техники и рабочие средства, которые применяются в здравоохранении; при производстве медикаментов; при осуществлении мероприятий по охране окружающей среды; при выполнении работ, связанных с обязательной сертификацией продукции и т. д.

Кроме поверки, государственные метрологические организации проводят испытания – установление пригодности к выпуску средств измерительной техники на конструкторских заводах.

Поверку могут осуществлять только те органы, которые аккредитованы Государственным комитетом по вопросам технического регулирования и потребительской политике Украины. Специалисты территориальных органов, которые проводят государственную поверку средств измерения, должны быть аттестованы и иметь статус поверенного согласно процедуре Госпотребстандарта Украины.

Средства измерений (СИ) подвергают первичной, периодической, внеочередной, инспекционной и экспертной поверкам.

Первичной поверке подвергаются СИ при выпуске из производства или ремонта, а также СИ, поступающие по импорту.

Периодической поверке подлежат СИ, находящиеся в эксплуатации или на хранении через определенные межповерочные интервалы, установленные с расчетом обеспечения пригодности к применению СИ на период между поверками.

Инспекционную поверку производят для выявления пригодности к применению СИ при осуществлении госнадзора и ведомственного метрологического контроля за состоянием и применением СИ.

Экспертную поверку выполняют при возникновении спорных вопросов по метрологическим характеристикам, исправности СИ и пригодности их к применению.

Достоверная передача размера единиц во всех звеньях метрологической цепи от эталонов или от исходного образцового средства измерений к рабочим средствам измерений производится в определенном порядке, приведенном в поверочных схемах.

Поверочная схема – это утвержденный в установленном порядке документ, регламентирующий средства, методы и точность передачи размера единицы физической величины от государственного эталона или исходного образцового средства измерений рабочим средствам.

Различают государственные, ведомственные и локальные поверочные схемы органов государственной или ведомственных метрологических служб.

Основные требования к организации и порядку проведения поверки средств измерений установлены ГОСТ 8.513-84.