Учебное пособие: Метрология и метрологическое обеспечение

Символы (размерность) основных величин системы единиц СИ:

L – длина (м), M – масса (кг), T – время (с), I – электрический ток (А), Q – термодинамическая температура (К), J – сила света (кд), N – количество вещества (моль).

Когерентная производная единица физической величины - производная единица физической величины, связанная с другими единицами системы единиц уравнением связи, в котором числовой коэффициент равен 1.

Примеры когерентных производных единиц физических величин:

Давление	L-1MT-2	Па (паскаль)
Мощность	L2MT-3	Вт (ватт)
Электрическое напряжение	L2MT-3I-1	В (вольт)
Электрическая емкость	L-2M-1T4I2	Ф (фарад)
Электрическое сопротивление	L2MT-3I-2	Ом (ом)
Индуктивность	L2MT-2I-2	Гн (генри)

2. Классификация измерений. Методы и средства измерений

Классификация измерений, позволяющая облегчить изучение всего их многообразия и упорядочить знания, возможна на основе общих признаков и условий выполнения измерений.

Классификационные признаки	Виды и методы измерений, примеры
По областям и видам измерений. Область измерений – совокупность измерений физических величин, свойственных какой-либо области науки или техники и выделяющихся своей спецификой. Вид измерений – часть области измерений, имеющая свои особенности и отличающаяся однородностью измеряемых величин.	Пример. Виды измерений в Государственном реестре средств измерений, разрешенных к применению в РФ: 1.Измерения геометрических величин (в т.ч. перемещений, расстояний, толщин) 2.Измерения механических величин (масса, сила, деформация, скорость, ускорение и др.) 3.Измерения параметров потока, расхода, уровня, объема веществ 4.Измерения давления, вакуумные измерения 5.Измерения физико-химического состава и свойств веществ (плотность, влажность и др.) 6.Теплофизические и температурные измерения 7.Измерения времени и частоты 8.Измерения электрических и магнитных величин 9.Радиоэлектронные измерения 10.Акустические измерения 11.Оптические и оптико-физические измерения 12.Измерения ионизирующих излучений и ядерных констант 13.Биологические и биомедицинские измерения
По способу организации процесса измерений и обработки данных Метрологические измерения – с целью передачи размера единицы физической величины с использованием эталона	Технические	Исследовательские (лабораторные, в т.ч. метрологические)
	Массовые Однократные МВИ регламентирована Квалификация оператора низкая Априорная (в МВИ) оценка погрешности результата измерений	Единичные Многократные (статистические) Правила определяет оператор Квалификация оператора высокая Индивидуальная оценка погрешности измерений с учетом условий измерений
По характеру взаимодействия средства измерений с объектом	- контактные и дистанционные (бесконтактные) - непрерывные и дискретные
По условиям измерений	1.Измерения в нормальных условиях и в рабочих условиях 2.Статические и динамические измерения  Статическое измерение - измерение физической величины, принимаемой неизменной на протяжении времени измерения.  Динамическое измерение – измерение изменяющейся во времени по размеру физической величины 3.Равноточные и неравноточные измерения
По способу получения результата измерения	Прямые (непосредственные) и функциональные, в т.ч.  Прямое измерение – измерение, при котором значение физической величины получают непосредственно.  Косвенное измерение – определение значения физической величины на основании результатов прямых измерений других величин, функционально связанных с искомой. Пример: R = U/I  Совокупные измерения – проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин определяют решением системы уравнений, получаемых при измерениях этих величин в различных сочетаниях. Пример: Х + У = А, Х – У = В; Х = ?  Совместные измерения – проводимые одновременно измерения двух или нескольких неоднородных величин для определения зависимости между ними. Пример: R = f(T)
По методу прямых измерений Метод измерений – прием или совокупность приемов сравнения измеряемой величины с ее единицей	1.          Метод непосредственной оценки – значение величины определяют по показанию средства измерений. 2.          Метод сравнения с мерой – измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. 3.          Дифференциальный метод – измеряется разность между величинами 4.          Метод дополнения - измеряемую величину дополняют мерой до заранее заданного значения (суммы) 5.          Метод замещения -измеряемую величину замещают мерой 6.          Нулевой метод разность между измеряемой величиной и мерой доводят до нуля.  Два метода измерений не определены в РМГ 29-99: Метод противопоставления (разновидность метода сравнения с мерой) – одновременное воздействие на прибор сравнения измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой. Метод совпадений (разновидность дифференциального), где величины измеряют, используя совпадения отметок шкал или стробоскопический эффект.

Неотъемлемым и важнейшим элементом измерений, определяющим его суть (см. определение термина «измерение») является 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.

В средстве измерений реализуется физический принцип измерений и основной метод измерений – сравнение с мерой. Средство измерений реализует и другие операции, составляющие процесс измерения.

	Измерительное преобразование  F
			Сравнение с единицей или мерой ФВ

Х  Q = F(X)  Измерительная

                                                                                                               информация

                                                                                         [X] = F-1 {q[Q]}

Операции, представленные в обобщенной структурной схеме средства измерений, не всегда очевидны, иногда выполнены заранее, дополнены и совмещены с другими операциями, но всегда присутствуют в процессе измерений. В частности, измерительное преобразование, обеспечивающее приведение в соответствие размеров в общем случае неоднородных измеряемой и воспроизводимой ФВ, может применяться не только к измеряемой, но и к воспроизводимой ФВ. Измерительное преобразование может включать в себя операции изменения физического рода преобразуемой величины, масштабное или масштабно-временное преобразование, модуляцию, дискретизацию или квантование и др.

В РМГ 29-99 введено обобщающее понятие «средства измерительной техники», охватывающее технические средства, предназначенные для измерений. Оно объединяет средства измерений, их совокупности в виде измерительных систем, измерительных установок, измерительные устройства и принадлежности. К средствам измерений относятся следующие их разновидности.

Мера физической величины средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров. Различают однозначные меры, многозначные меры, наборы мер и магазины мер. Стандартный образец – хранит значения одной или нескольких ФВ, характеризующих состав или свойства вещества.

Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины. По способу индикации значений измеряемой величины приборы разделяют на показывающие и регистрирующие, аналоговые и цифровые.

Измерительный преобразователь – техническое средство с нормированными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, дальнейших преобразований, хранения, передачи или индикации. Отдельную категорию составляют первичные измерительные преобразователи (датчики, детекторы). Промежуточные – масштабирующие, АЦП, ЦАП и др.

Средство сравнения (компаратор) – техническое средство или среда, с помощью которой осуществляется сравнение размеров однородных ФВ или показаний средств измерений. Примеры: рычажные весы, температурное поле термостата.

Индикатор - техническое средство или вещество, предназначенное для установления наличия или превышения порогового значения ФВ (сигнализаторы).

Совокупности функционально объединенных средств измерительной техники образуют измерительные установки (машины), измерительные системы, измерительно-вычислительные комплексы (в составе измерительной системы).

Все средства измерений делятся на рабочие СИ для измерений, не связанных с передачей размера единицы ФВ другим СИ, и эталоны.

3. Метрологические характеристики средств измерений

Метрологическая характеристика (м.х.) – характеристика свойства средства измерений, влияющая на результат и погрешность измерений. М.х., устанавливаемые в НД, называют нормируемыми м.х. (н.м.х.). Для каждого типа СИ устанавливают комплекс н.м.х. рациональную совокупность м.х.

Рациональность комплекса н.м.х. определяется задачами нормирования

1.Возможность определения результата и расчетной погрешности измерений в известных рабочих условиях измерений.

2.Возможность оценки (расчета) м.х. и погрешностей каналов ИС по м.х. отдельных структурных элементов (отдельных СИ)

3.Возможность сравнения СИ по точности и оптимальный выбор СИ для каждой измерительной задачи.

4.Возможность контроля СИ при выпуске из производства и ремонта на соответствие установленным требованиям.

Требования к нормированию и состав комплексов н.м.х. установлены в ГОСТ 8.009-84 «ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений».

Характеристики для определения результата измерений:

- номинальное значение однозначной меры;

- цена деления шкалы аналогового прибора или многозначной меры. Сопутствующие характеристики: начальное и конечное значения шкалы, то есть наименьшее и наибольшее значения измеряемой величины, которые могут быть отсчитаны по шкале и определяющие диапазон показаний СИ. Диапазон измерений СИ – область значений величины, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности СИ. Значения величины, ограничивающие диапазон измерений – нижний и верхний пределы измерений. Для многопредельных СИ цена деления устанавливается для каждого предела измерений. Для неравномерной шкалы устанавливается минимальная цена деления;

- кодовые характеристики цифрового СИ: вид выходного кода, число разрядов, номинальная цена единицы младшего разряда;

- функция преобразования измерительного преобразователя – зависимость между выходным сигналом и измеряемой величиной, представленная формулой, таблицей или графиком. Различаются номинальная (приписанная) и реальная (индивидуальная) функции преобразования. Градуировочная характеристика – зависимость, полученная экспериментально.

Сопутствующие характеристики: чувствительность СИ – отношение изменения выходного сигнала СИ к вызывающему его изменению измеряемой величины: S = ∆у/∆х абсолютная, S = (∆у/∆х)/х – относительная. Порог чувствительности наименьшее значение изменения ФВ, начиная с которого может осуществляться ее измерение. Разрешение СИ (временное или пространственное) – наименьшие интервалы, которые фиксируются СИ раздельно.

Характеристики погрешности СИ.

Погрешности СИ по источникам возникновения можно представить в виде трех составляющих: ∆си = ∆о * ∑∆(ξί) * ∆τ.

∆о – погрешность СИ в нормальных условиях (основная погрешность).

∑∆(ξί) совокупность погрешностей, обусловленных чувствительностью СИ к влияющим величинам, действующим на СИ в рабочих условиях измерений (дополнительные погрешности).

∆τ динамическая погрешность, обусловленная инерционными свойствами СИ при возрастании скорости изменения измеряемой величины, то есть при переходе от статических измерений к динамическим.

К рассматриваемой группе н.м.х. относятся характеристики основной погрешности СИ, которая в свою очередь описывается моделью, включающей три составляющие: ∆о = ∆с * ∆º * ∆вар., и нормируется отдельно характеристиками каждой составляющей: характеристиками систематической, случайной погрешностей и вариации.

Систематическая погрешность ∆с – составляющая погрешности, принимаемая за постоянную или закономерно изменяющуюся. Ее источники – в методике передачи размера единицы величины («сдвиг» шкалы или отдельных отметок), в неидеальности функции преобразования (нелинейность), ее изменении во времени. Нормируемой характеристикой является предел систематической погрешности (предельное значение). Для множества СИ данного типа систематическая погрешность рассматривается как случайная величина, для которой нормируются математическое ожидание М(∆с) и среднее квадратическое отклонение σ(∆с).

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11