По назначению СИ делят на следующие группы:

• меры;
• измерительные преобразователи;
• измерительные приборы;
• измерительные установки;
• измерительные системы.

Мерой называетсяСИ, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величиныодного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленныхединицах и известны с необходимой точностью.

Меры бывают:

Однозначные - воспроизводящие физическую величину одного размера(гиря).

Многозначные - воспроизводящие ряд одноименных величин различногоразмера (измерительная линейка).

Наборы мер - комплект мер, применяемых не только по отдельности,но и в различных сочетаниях с целью воспроизведения ряда одноименных величинразличного размера (набор гирь, набор концевых мер).

Магазины мер - набор мер, объединенных в одно конструктивноецелое, со специальными переключателями, связанными с отсчетным устройством.

Штриховые меры – это меры, размер которыхопределяется расстоянием между осями двух измерительных штрихов.

Концевые меры – это меры, размер которыхопределяется расстоянием между двумя плоскими взаимно параллельными гранямиметаллического параллелепипеда.

Стандартные образцы представляют собой меру для воспроизведения единицывеличины, характеризующей свойства или состав веществ и материалов(например,образцы твердости, шероховатости, образцы стали с аттестованным содержанием химическихэлементов).

Образцовые вещества - это меры, представляющие собой вещества сизвестными свойствами, воспроизводимыми при соблюдении условий приготовления,указанных в утвержденной спецификации («чистая» вода, «чистые» газы, «чистые»металлы).

Измерительный преобразователь - это СИ, служащее для выработки измерительной информациив форме, удобной для передачи на расстояние, хранения, обработки, но неподдающейся непосредственному восприятию наблюдателя.

Измерительные преобразователи классифицируются по ряду признаков.

По местонахождению в измерительной цепи преобразователи делятся на первичные и промежуточные. Если входной величиной преобразователя является измеряемая физическая величина, то измерительный преобразователь называется первичным. Конструктивно обособленный первичный преобразователь, от которого поступают измерительные сигналы, называется датчиком. Датчик может быть вынесен на значительное расстояние от средства измерений, принимающего его сигналы. Промежуточные преобразователи располагаются в измерительной цепи после первичного.

По виду входных и выходных величин измерительные преобразователи делятся:

• аналоговые, преобразующие одну аналоговую величину в другую аналоговую величину;
• на аналого-цифровые (АЦП), предназначенные для преобразования аналогового измерительного сигнала в цифровой код;
• цифроаналоговые (ЦАП), предназначенные для преобразования цифрового кода в аналоговую величину.

Измерительный преобразователь называется передающим, если он предназначен для дистанционной передачи сигнала измерительной информации. Примерами могут служить индуктивный или пневматический передающие преобразователи. Измерительный преобразователь, предназначенный для изменения величины в заданное число раз, называется масштабным(например, измерительный трансформатор тока, делитель напряжения, измерительный усилитель).

Измерительный прибор - это СИ, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для восприятия наблюдателя.

Измерительные приборы представляют собой самую многочисленную группу СИ и классифицируются по различным признакам. Наиболее общими являются классификации по типу структурной схемы и способу выдачи измерительной информации.

По типу структурной схемы приборы подразделяются на приборы прямого действия и приборы сравнения.

В приборах прямого действия предусмотрено одно или несколько преобразований сигналов измерительной информации X в выходную величину Y в одном направлении от входа к выходу, т.е. без применения обратной связи. Примерами приборов прямого действия могут служить манометры, ртутно-стеклянные термометры, амперметры и др.

Приборы сравнения - это измерительные приборы, предназначенные для непосредственного сравнения измеряемой величины X с величиной X 0, и разностная величина DX = X - X 0 используется для получения результата измерения. Примерами приборов сравнения являются равноплечие весы, электроизмерительный потенциометр (компенсатор), компаратор для линейных мер и др. В приборах сравнения мера присутствует в процессе каждого измерения.

По способу выдачи измерительной информации измерительные приборы подразделяются на показывающие и регистрирующие.

Показывающие приборы позволяют осуществить отсчитывание показаний; регистрирующие - отсчитывание, а также регистрацию измеряемой величины либо в функции времени, либо в функции другой величины.

К показывающим приборам относятся аналоговые и цифровые приборы.

Отсчетные устройства аналоговых приборов состоят из шкалы и указателя - стрелки, показания этих приборов являются непрерывной функцией измеряемой величины.

Шкала средств измерений - часть показывающего устройства СИ, представляющая собой упорядоченный ряд отметок вместе со связанной с ними нумерацией. Отметка шкалы - это знак на шкале СИ (черточка, зубец, точка и т.д.), соответствующий некоторому значению физической величины. Для цифровых шкал сами числа являются эквивалентами отметок шкалы.

Цена деления шкалы -это разность значений величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы СИ. Отметки наносятся на шкалу при градуировке прибора, т.е. при подаче на его вход сигнала с выхода образцовой многозначной меры. У части отметок шкалы проставляются числовые значения величины, подаваемой с выхода меры. Эти отметки становятся числовыми.

Шкала СИ имеет начальное и конечное значения. Они соответствуют наименьшему и наибольшему значениям измеряемой величины, которые могут быть отсчитаны по шкале СИ. При измерении с показывающего устройства считывается показание. Каждое СИ характеризуется диапазоном показаний и диапазоном измерений. Диапазоном показаний называется область значений шкалы СИ, ограниченная ее начальным и конечным делениями. Диапазоном измерений называется область значений физической величины (ФВ), в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности СИ. Значения величины, ограничивающие диапазон снизу и сверху (слева и справа), называются соответственно нижним и верхним пределами измерений. Диапазон измерений всегда меньше или равен диапазону показаний.

Измерительная установка - это совокупность функционально-объединенных средств измерений (мер, измерительных преобразователей, измерительных приборов), предназначенных для выработки сигналов измерительной информации и расположенных компактно.

Измерительные установки применяются в лабораториях для научных исследований, для контроля качества материалов.

Измерительная установка - совокупность измерительных преобразователей, измерительных приборов и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенная для выработки информации, удобной для автоматической обработки, передачи и использования в системах управления.

Все СИ по выполняемым метрологическим функциям делят на эталоны, рабочие эталоны и рабочие СИ.

Эталон единицы физической величины - это СИ (или комплекс СИ), обеспечивающее воспроизведение и хранение единицы с целью передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений, официально утвержденное в установленном порядке. Рабочий эталон - это СИ, служащее для поверки или калибровки по ним других средств измерения и утвержденное в качестве рабочего эталона.

Поверка - это определение метрологическим органом погрешности средств измерения и установление его пригодности к применению.

Рабочие средства измерения - это СИ, применяемые в технических измерениях.

Поверочная схема - это утвержденный в установленном порядке документ, устанавливающий средства, методы и точность передачи размера единиц от эталона к рабочим СИ. Главной частью поверочной схемы является метрологическая цепь передачи размеров единицы от первичного эталона рабочим средством измерения.

Методы измерения.

Методы измерения (МИ) – способ получения результата измерений путем использования принципов и средств измерений.

МИ подразделяются на:

· Метод непосредственной оценки – значение измеряемой величины снимается непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия.

Преимущество – быстрота измерений, обусловливающая незаменимость для практического применения. Недостаток – ограниченная точность.

· Метод сравнения с мерой – измеряемая величина сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой. Пример: измерение длины линейкой.

Преимущество – большая точность измерения, чем при методе непосредственной оценки. Недостаток – большие затраты времени на подбор мер.

· Метод противоставления – измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, единовременно действует на прибор сравнения, с помощью которого устанавливают соотношение между этими величинами.

Например, взвешивание на равноплечных весах, при котором измеряется масса, определяется как сумма массы гирь, ее уравновешивающих, и показаний по шкале весов.

Преимущество – уменьшение воздействия на результаты измерения факторов, влияющих на искажение сигналов измерительной информации. Недостаток – увеличение времени взвешивания.

· Дифференциальный (разностный) метод – характеризуется разностью измеряемой и известной (воспроизводимой мерой) величинами. Например, измерение путем сравнения с рабочим эталоном на компаторе, выполняемые при поверке мер длины.

Преимущество - получение результатов с высокой точностью, даже при применении относительно грубых средств для измерения разности.

· Нулевой метод – метод сравнения с мерой, в которой результирующий эффект воздействия на прибор сравнения доводят до нуля.

· Метод совпадения – метод сравнения с мерой, в которой разность между значениями искомой и воспроизводимой мерой величин измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов.

Преимущество – метод позволяет существенно увеличить точность сравнения с мерой. Недостаток – затраты на приобретение более сложных СрИзм, необходимость наличия профессиональных навыков у оператора.

· Метод замещения – основан на сравнении с мерой, при котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой, сохраняя все условия неизменными. Например, взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашку весов.

Преимущества – погрешность измерений мала, так как определяется в основном погрешностью меры и зоной нечувствительности прибора (ноль – индикатор). Недостаток – необходимость применения многозначных мер.

· Косвенный метод измерения – измерение физической величины одного наименования, связанной с другой искомой величиной, определенной функциональной зависимостью, с последующим расчетом путем решения управления. Косвенные методы широко применяются при химических методах испытания.

Преимущества – возможность измерения величин, для которых отсутствуют методы непосредственной оценки или они не дают достоверных результатов или связаны со значительными затратами. Недостатки – повышенные затраты времени и средств на измерение.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

КУЗБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра металлорежущих станков и инструментов

МЕТРОЛОГИЯ

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Методические указания к лабораторной работе по курсу «Метрология, стандартизация и сертификация» для студентов специальности 120200 «Металлорежущие станки и инструменты» специализации 120219 «Менеджмент качества, сертификации и лицензирование оборудования»

Составитель Н.Г. Розенко

Утверждены на заседании кафедры Протокол № 5 от 30.10.02

Электронная копия хранится в библиотеке главного корпуса ГУ КузГТУ

Кемерово 2003

ских величин, методы, методики, а также средства измерений для метрологического обеспечения производства.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ Физическая величина является одним из свойств физического объ-

екта, физической системы, явления или процесса. В качественном отношении это свойство является одним для многих физических объектов, однако в количественном отношении оно индивидуально для каждого из них. Количественная определенность физической величины, присущая конкретному материальному объекту, системе, явлению, процессу называется размером физической величины. Значение физической величины формируется путем выражения физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц.

Значение физической величины, которое идеальным образом характеризует в качественном и количественном отношении соответствующую физической величину, называется истинным значением величины. Оно может быть соотнесено с понятием абсолютной истины и может быть получено только в результате бесконечного процесса измерений с бесконечным совершенствованием методов и средств измерений.

Действительное значение физической величины – это значение физической величины, полученное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному значению, что в поставленной измерительной задаче может быть использовано вместо него.

Совокупность физических величин, образованная в соответствии с принятыми принципами, называется системой физических величин.

В системе физических величин одни величины принимаются как независимые, а другие определяются как функции независимых величин.

Физическая величина, входящая в систему величин и условно принятая в качестве независимой от других величин этой системы называется основной физической величиной.

Физическая величина, входящая в систему величин и определяемая через основные величины этой системы, называется производной физической величиной.

Измерение физической величины – это совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения в явном или не-

явном виде измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины. Если ряд измерений какой-либо величины выполнен одинаковыми по точности средствами измерений в одних и тех же условиях с одинаковой тщательностью, то такие измерения называются равноточными. Если ряд измерений какой-либо величины выполнен различающимися по точности средствами измерений и (или) в разных условиях, то такие измерения называются неравноточными.

Если измерение выполнено один раз, то оно называется однократным. Измерение называется многократным, если при измерении физической величины одного и того же размера результат получен из нескольких следующих друг за другом измерений, т.е. состоящее из ряда однократных измерений.

Статическое измерение – это измерение физической величины, принимаемой в соответствии с конкретной измерительной задачей за неизменную на протяжении времени измерения.

Динамическое измерение – это измерение изменяющейся по размеру физической величины.

Измерение, основанное на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значений физических констант, называется абсолютным измерением. Например, измерение силы F = m g основано на применении основной величины массы – m

и использовании физической постоянной g в точке измерения массы. Относительное измерение – это измерение отношения величины к

одноименной величине, играющей роль единицы, или измерение изменения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.

Измерение, при котором исходное значение физической величины получают непосредственно называется прямым измерением. Например, измерение длины детали микрометром, силы тока – амперметром, массы на весах.

Если искомое значение физической величины определяется на основании прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной, то такие измерения называются косвенными. Например, плотность D тела цилиндрической формы можно определить на основании результатов прямых измерений массы m , высоты h и диаметра цилиндра d , связанных с плотностью уравнением

	0,25π d 2 h

Проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин определяют путем решения системы уравнений, получаемых при измерении этих величин в разных сочетаниях, называются совокупными измерениями. Например, значение массы отдельных гирь набора определяют по известному значению массы одной из гирь и по результатам измерений (сравнений) масс различного сочетания гирь.

Если проводятся одновременно измерения двух или нескольких одноименных величин для определения зависимости между ними, то такие измерения называются совместными.

Видом измерений называется часть области измерений, имеющая свои особенности и отличающаяся однородностью измеряемых величин. Например, в области электрических и магнитных измерений могут быть выделены такие виды измерений: измерения электрического сопротивления, электродвижущей силы, электрического напряжения, магнитной индукции и др.

Подвидом измерений называется часть вида измерений, выделяющая особенностями измерений однородной величины (по диапазону, по размеру величины и др.) Например, при измерении длины выделяют измерения больших длин (в десятках, сотнях, тысячах километров) или измерения сверх малых длин – толщин пленок.

Средства измерительной техники – это технические средства, специально предназначенные для измерений. К средствам измерительной техники относятся средства измерений и их совокупности (измерительные системы, измерительные установки), измерительные принадлежности, измерительные установки.

Под средством измерений понимается техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормируемые метрологические характеристики, воспроизводящие и (или) хранящие единицу физической величины, размер которой принимается неизменным в пределах установленной погрешности в течение известного интервала времени.

Рабочее средство измерений – это средство измерений, предназначенное для измерений, не связанных с передачей размера единицы другим средствам измерений.

Основное средство измерений – это средство измерений той физической величины, значение которой необходимо получить в соответствии с измерительной задачей.

Вспомогательное средство измерений – это средство измерений той физической величины, влияние которой на основное средство измерений или объект измерений необходимо учитывать для получения результатов измерений требуемой точности. Например, термометр для измерения температуры газа при измерении объемного расхода этого газа.

Средство измерений называется автоматическим, если оно без непосредственного участия человека производит измерения и все операции, связанные с обработкой результатов измерений, их регистрацией, передачей данных или выработкой управляющего сигнала. Автоматическое средство измерений, встроенное в автоматическую технологическую линию, называется измерительным автоматом или контрольным автоматом. Разновидность контрольно-измерительных машин, отличающихся хорошими манипуляционными свойствами, высокими скоростями перемещений и измерений, называется измерительными роботами.

Средство измерений называется автоматизированным, если оно производит в автоматическом режиме одну или часть измерительных операций. Например, барограф измеряет и регистрирует давление; счетчик электрической энергии производит измерение и регистрацию данных нарастающим итогом.

Мерой физической величины называется средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных параметров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью.

Существуют следующие разновидности мер.

1. Однозначная мера – это мера, воспроизводящая физическую величину одного размера (например гиря 1 кг).

2. Многозначная мера – это мера, воспроизводящая физическую величину разных размеров (например штриховая мера длины).

3. Набор мер – это комплект мер разного размера одной и той же физической величины, предназначенных для применения на практике как в отдельности, так и в различных сочетаниях (например набор концевых мер длины).

4. Магазин мер – это набор мер конструктивно объединенных в единое устройство, в котором имеются приспособления для их соединения в различных комбинациях (например магазин электрических сопротивлений).

Измерительный набор – это средство измерений, предназначенное для получения значений измерений физической величины в установленном диапазоне. По способу индикации значений измеряемой величины измерительные приборы разделяются на показывающие и регистрирующие. По действию измерительные приборы разделяются на интегрирующие и суммирующие. Различаются также приборы прямого действия и приборы сравнения, аналоговые и цифровые приборы, самопишущие и печатающие приборы.

Совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенных для измерений одной или нескольких физических величин и расположенных в одном месте, называется измерительной установкой. Измерительная установка, применяемая при поверке, называется поверочной установкой. Измерительная установка, входящая в состав эталона, называется эталонной установкой. Некоторые большие измерительные устройства называются измерительными машинами. Измерительные машины предназначены для точных измерений физических величин. Например, силоизмерительная машина, машина для измерения больших длин в промышленном производстве, делительная машина, координатно-измерительная машина.

Измерительная система – это совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технологических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в различных целях. В зависимости от назначения измерительные системы разделяются на измерительные информирующие, измерительные управляющие системы и др. Измерительная система, перестраиваемая в зависимости от изменения измерительной задачи, называется гибкой измерительной системой.

Стандартный образец – это образец веществ или материала с установленными в результате метрологической аттестации значениями одной или более величин, характеризующими свойство или состав этого вещества или материала. Различаются стандартные образцы свойства и стандартные образцы состава. Примером стандартного образца свойства является стандартный образец относительной диэлектрической проницаемости. Стандартные образцы свойств веществ и материалов по метрологическому назначению выполняют роль однозначных мер. Они могут применяться в качестве рабочих эталонов с присвоением размера

по государственной поверочной схеме. Примером стандартного образца состава является стандартный образец состава углеродистой стали.

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. Измерительный преобразователь может входить в состав измерительного прибора, измерительной установки, измерительной системы и др. или применяться вместе с какимлибо средством измерений. По характеру преобразования различаются аналоговые, цифро-аналоговые, аналогово-цифровые преобразователи. По месту в измерительной цепи различаются первичные и промежуточные преобразователи. Преобразователи также бывают масштабные и передающие.

Примеры преобразователей.

1. Термопара в термоэлектрическом термометре;

2. Электропневматический преобразователь.

Первичный измерительный преобразователь – это измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина. Например, термопара в цепи термоэлектрического термометра.

Датчик – это конструктивно обособленный первичный преобразователь, от которого поступают измерительные сигналы.

Средство сравнения – это техническое средство или специально создаваемая среда, посредством которых можно выполнить сравнение друг с другом мер однородных величин или показаний измерительных приборов.

Примеры средств сравнения.

1. Рычажные весы, на одну чашку которых устанавливается эталонная гиря, а на другую поверяемая.

2. Градуировочная жидкость для сравнения эталонного и рабочего ареометров.

3. Температурное поле, создаваемое термостатом для сравнения показаний термометров.

4. Давление среды, создаваемое компрессором, может быть измерено поверяемым и эталонным манометром одновременно; на основании показаний эталонного прибора градуируется поверяемый прибор.

Компаратор – это средство сравнения, предназначенное для сличения мер однородных величин. Например, рычажные весы.

Средство измерений, признанное годным и допущенное для применения уполномоченным на то органом, называется узаконенным средством измерений.

Государственные эталоны страны становятся таковыми в результате утверждения первичных эталонов национальным органом по стандартизации и метрологии. Рабочие средства измерений, предназначенные для серийного выпуска, узакониваются путем утверждения типа средства измерений.

Измерительные принадлежности – это вспомогательные средства, служащие для обеспечения необходимых условий для выполнения измерений с требуемой точностью. Примерами измерительных принадлежностей могут служить термостаты, барометры, противовибрационные фундаменты, устройства для экранирования электромагнитных полей, треноги для установки приборов и т.п.

Индикатор – это техническое средство или вещество, предназначенное для установления наличия какой-либо физической величины или превышения уровня ее порогового значения. Индикатор близости к нулю сигнала называется нуль-индикатором.

Примеры индикаторов.

1. Осциллограф служит индикатором наличия или отсутствия измерительных сигналов.

2. Лакмусовая бумага или другие вещества в химических реакциях.

3. Световой или звуковой сигнал индикатора ионизирующих излучений в случае превышения уровня радиации порогового значения.

Метрологической характеристикой средств измерений называется характеристика одного из свойств средств измерений, влияющая на результат измерений и на его погрешность. Для каждого типа средств измерений устанавливаются свои метрологические характеристики. Метрологические характеристики, устанавливаемые в нормативных и технических документах, называются нормированными метрологическими характеристиками, а определяемые экспериментально – действительными метрологическими характеристиками.

Вариация показаний измерительного прибора – это разность показаний прибора в одной и той же точке диапазона измерений при плавном подходе к этой точке со стороны меньших и больших значений измеряемой величины.

Диапазон показаний средств измерений – это область значений шкалы прибора, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы.

Диапазон измерений средств измерений – это область значений величины, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности средств измерений.

Значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу и сверху (слева и справа), называются соответственно нижним пределом измерений и верхним пределом измерений.

Номинальное значение меры – это значение величины, приписанное мере или партии мер при изготовлении, например гиря с номинальным значением 1 кг.

Действительное значение меры – это значение величины, приписанное мере на основании ее калибровки или поверки. Например, в состав государственного эталона единицы массы входит платиноиридиевая гиря с номинальным значением массы 1 кг, тогда как действительное значение ее массы составляет 1,000000087 кг получено в результате международных сличений с международным эталоном килограмма, хранящимся в Международном бюро мер и весов (МБМВ).

Чувствительность средства измерений – это свойство средства измерений, определяемое отношением измерения выходного сигнала этого средства к вызывающему его изменению измеряемой величины. Различаются абсолютная и относительная чувствительность. Абсолютная чувствительность определяется по формуле

где X – измеряемая величина.

Порог чувствительности – это характеристика средства измерений в виде наименьшего значения изменения физической величины, начиная с которого может осуществляться ее измерение данным средством.

Смещение нуля – это показание средства измерений, отличное от нуля, при входном сигнале, равном нулю.

Дрейф показаний средства измерений – это изменение показаний средства измерений во времени, обусловленное изменением влияющих величин или других факторов.

Тип средства измерений – это совокупность средств измерений одного и того же назначения, основанных на одном и том же принципе

действия, имеющих одинаковую конструкцию и изготовляемых по одной и той же технической документации. Средства измерений одного типа могут иметь различные модификации (например отличаться по диапазону измерений).

Вид средства измерений – это совокупность средств измерений, предназначенных для измерений данной физический величины. Например, амперметры и вольтметры являются видами средств измерений соответственно силы электрического тока и напряжения. Вид средств измерений может включать несколько их типов.

Метрологической исправностью средств измерений называется такое их состояние, при котором все нормируемые метрологические характеристики соответствуют установленным требованиям.

Выход метрологической характеристики средства измерений за установленные пределы называется метрологическим отказом средства измерений.

Физическое явление или эффект, положенные в основу измерений, называется принципом измерений (например использование силы тяжести при измерении массы взвешиванием).

Метод измерений – это прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. Метод измерений взаимосвязан с устройством средств измерений.

Метод непосредственной оценки – это метод измерений, при котором значение величины определяется непосредственно по показывающему средству измерений.

Метод сравнения с мерой – это метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Например, измерения массы на рычажных весах с уравновешением гирями (мерами массы с известным значением).

Нулевой метод измерений – это метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводят до нуля. Например, измерение электрического сопротивления мостом с полным его уравновешиванием.

Метод измерения замещением – это метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают мерой с известным значением величины. Например, взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашку весов.

Метод измерения дополнением – это метод сравнения с мерой, в котором значение измеряемой величины дополняется мерой этой же

Слайд 2

Метрология - наука об измерениях , методах достижения их единства и требуемой точности. Измерения играют важную роль в жизни человека. С измерениями мы встречаемся на каждом шагу своей деятельности, начиная от определения расстояний на глаз и заканчивая контролем сложных технологических процессов и выполнением научных исследований. Развитие науки неразрывно связано с прогрессом в области измерений.

Слайд 3

Как область практической деятельности метрология зародилась в древности. Наименования единиц измерения и их размеры появлялись в давние времена чаще всего в соответствии с возможностью применения единиц и их размеров без специальных устройств. Первыми средствами обеспечения измерений были объекты, опирающиеся на размеры рук и ног человека. На Руси использовались локоть, пядь, сажень, косая сажень. На Западе - дюйм, фут, сохранившие свое название до сих пор. Поскольку размеры рук и ног у разных людей были разными, то должное единство измерений не всегда удавалось обеспечить. Следующим шагом были законодательные акты правителей, предписывающие, например, за единицу длины считать среднюю длину стопы нескольких людей. Иногда правители просто делали две зарубки на стене рыночной площади, предписывая всем торговцам делать копии таких «эталонных мер.

В начале 1840 г. во Франции был установлен эталон метра (эталон хранится во Франции, в Музее мер и весов; в настоящее время является в большей степени историческим экспонатом, нежели научным инструментом);

Большую роль в становлении метрологии в России сыграл Д.И. Менделеев, руководивший отечественной метрологией в период с 1892 по 1907 г. «Наука начинается... с тех пор, как начинают измерять», - в этом научном кредо великого ученого выражен, по существу, важнейший принцип развития науки, который не утратил актуальности и в современных условиях.

По его инициативе Петербургская академия наук предложила учредить международную организацию, которая обеспечивала бы единообразие средств измерений в международном масштабе. Это предложение получило одобрение, и 20 мая 1875 года на Дипломатической метрологической конференции, проведенной в Париже, в которой участвовали 17 государств (в том числе Россия), была принята Метрическая конвенция.

Всемирный день метрологии отмечается ежегодно 20 мая. Праздник учрежден Международным Комитетом мер и весов (МКМВ) в октябре 1999 года, на 88 заседании МКМВ.

Слайд 4 Объект и предмет метрологии

Метрология (от греч. «metron»– мера, «logos» – учение) – это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения единства измерений и методах и средствах обеспечения их требуемой точности.

Любая наука является состоявшейся, если она имеет свой объект, предмет и методы исследования. Предмет любой науки отвечает на вопрос ЧТО ей изучается.

Предметом метрологии является измерение свойств объектов (длины, массы, плотности и т.д.) и процессов (скорость протекания, интенсивность протекания и др.) с заданной точностью и достоверностью.

Объектом метрологии является физическая величина

Слайд 5

Цели и задачи метрологии:

· образование единиц физических величин и систем единиц;

· разработка и стандартизация методов и средств измерений, методов определения точности измерений, основ обеспечения единства измерений и единообразия средств измерений (так называемая «законодательная метрология»);

· создание эталонов и образцовых средств измерений, поверка мер и средств измерений. Приоритетной подзадачей данного направления является выработка системы эталонов на основе физических констант.

Важнейшей задачей метрологии является обеспечение единства измерений.

Слайд 6

Метрологию разделяют на три основных раздела: «Теоретическая метрология», «Прикладная (практическая) метрология» и «Законодательная метрология».

Слайд 7

Теоретическая метрология

Рассматривает общие теоретические проблемы (разработка теории и проблем измерений физических величин, их единиц, методов измерений).

Слайд 8

Прикладная

Изучает вопросы практического применения разработок теоретической метрологии. В её ведении находятся все вопросы метрологического обеспечения.

Слайд 9

Законодательная

Устанавливает обязательные технические и юридические требования по применению единиц физической величины, методов и средств измерений.

Слайд 10, 11, 12, 13

Запишем основные понятия метрологии:

· Единство измерений - состояние измерений, характеризующееся тем, что их результаты выражаются в узаконенных единицах, размеры которых в установленных пределах равны размерам единиц, воспроизводимым первичными эталонами, а погрешности результатов измерений известны и с заданной вероятностью не выходят за установленные пределы.

· Физическая величина - одно из свойств физического объекта, общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них.

· Измерение - совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения измеряемой величины с ее единицей и получения значения этой величины.

· Средство измерений - техническое средство, предназначенное для измерений и имеющее нормированные метрологические характеристики.

· Поверка - совокупность операций, выполняемых в целях подтверждения соответствия средств измерения метрологическим требованиям.

· Погрешность измерения - отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины.

· Погрешность средства измерения - разность между показанием средства измерений и действительным значением измеряемой физической величины.

· Точность средства измерений - характеристика качества средства измерений, отражающая близость его погрешности к нулю.

· Лицензия - это разрешение, выдаваемое органам государственной метрологической службы на закрепленной за ним территории физическому или юридическому лицу на осуществление ему деятельности по производству и ремонту средств измерения.

· Мера – это средство измерения, предназначенное для воспроизведения ф.в. заданного размера.

· Эталон единицы величины - техническое средство, предназначенное для передачи, хранения и воспроизведения единицы величины.

Слайд 14

Физическая величина – это одно из свойств физического объекта, общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого физического объекта.

Физические величины делятся на измеряемые и оцениваемые.

Измеряемые физические величины могут быть выражены количественно в установленных единицах измерения (единицах физической величины).

Оцениваемые физические величины это величины, для которых единицы измерений не могут быть введены. Их определяют при помощи установленных шкал.

Слайд 15

Физические величины классифицируются по следующим видам явлений:

а) вещественные – они описывают физические и физико-химические свойства веществ, материалов и изделий из них;

б) энергетические – описывают энергетические характеристики процессов

преобразования, передачи и поглощение (использование) энергии;

в) физические величины, характеризующие протекание процессов во времени.

Слайд 16

Единицей физической величины – называют физическую величину фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение равное единице, и которое применяется для количественного выражения однородных с ней физических величин.

Различают основные и производные единицы физических величин. Для некоторых физических величин единицы устанавливаются произвольно, такие единицы физических величин называют основными. Производные единицы физических величин получают по формулам из основных единиц физических величин.

Система единиц физических величин – это совокупность основных и производных единиц физических величин, относящихся к некоторой системе величин.

Так, в международной системе единиц СИ (Система Интернациональная) принято семь основных единиц физических величин: единица времени – секунда (с), единица длины – метр (м), массы – килограмм (кг), единица силы электрического тока – ампер (А), термодинамической температуры – кельвин (К), силы света – кандела (кд) и единица количества вещества – моль (моль).

Слайд 17

Измерение физических величин

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

Истинное значение физической величины – это значение, идеально отражающее соответствующее свойство объекта, как в количественном, так и в качественном отношениях.

Действительное значение физической величины – это значение, найденное опытным путём и настолько приближенное к истинному, что для данной цели может быть принято вместо него.

Измеренное значение физической величины – это значение, полученное при измерении с применением конкретных методов и средств измерений.

Свойства измерений:

а) точность – это свойство измерений, отражающее близость их результатов к истинному значению измеряемой величины;

б) правильность – это свойство измерений, отражающее близость к нулю систематических погрешностей в их результатах. Результаты измерений правильны, когда они не искажены систематическими погрешностями;

в) сходимость – это свойство измерений, отражающее близость друг к другу результатов измерений, выполняемых в одинаковых условиях одним и тем же средством измерения одним и тем же оператором. Сходимость – важное качество для методики измерений;

г) воспроизводимость – это свойство измерений, отражающее близость друг к другу результатов измерений выполняемых в разных условиях, т.е в разное время, в разных местах, разными методами и средствами измерений. Воспроизводимость – важное качество при испытаниях готовой продукции.

Слайд 18, 19, 20

Классификация измерений

Измерения классифицируются по следующим признакам:

1 По физической сущности измеряемой величины

2 По характеристике точности

А) Равноточные измерения – это ряд измерений какой-либо физической величины выполненных при одинаковых условиях (одно и тоже средство измерения, параметры среды, один и тот же оператор и т.д.)

Б) Неравноточные измерения – это ряд измерений какой-либо физической величины выполненных либо разными по точности приборами, либо при разных условиях измерения.

3 По числу измерений

А) Однократные измерения

Б) Многократные измерения – измерения одной и той же физической величины результат, которого получен из нескольких следующих друг за другом измерений.

4 По изменению измеряемой величины во времени

А) Статические

Б) Динамические (при которых измеряемая величина изменяется во времени)

5 По метрологическому назначению

А) Технические

Б) Метрологические

6 По выражению результатов измерения

А) Абсолютные – измеряемые в кг., м., Н и т.д.

Б) Относительные – измеряемые в долях или процентах.

7 По способу получения числового значения физической величины

А) Прямые – это измерения, при которых искомое значение физической величины получают непосредственно.

Б) Косвенные – это измерения, при которых искомое значение физической величины получают на основании прямых измерений других физических величин.

В) Совместные измерения – одновременное измерение двух или нескольких не одноименных ФВ для определения зависимости между ними.

Г) Совокупные – это одновременное измерение нескольких одноименных физических величин, а искомое значение величин находят путем решения системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин.

Слайд 21

Методы измерения физических величин

Метод измерений – это приём или совокупность приёмов сравнения измеряемой физической величины с её единицей в соответствие с реализованным принципом измерений.

Факторы, влияющие на результаты измерений

Вметрологической практике при проведении измерений необходимо учитывать ряд факторов, влияющих на результаты измерения. Это - объект и субъект измерения, метод измерения, средство измерения и условия измерения.

Объект измерения должен быть чист от посторонних включений, если измеряется плотность вещества, свободен от влияния внешних помех (природные процессы, индустриальные помехи и т. п.). Сам объект не должен обладать внутренними помехами (работа самого объекта измерения).

Субъект измерения , т. е. оператор, привносит в результат «личностный» момент измерения, элемент субъективизма. Он зависит от квалификации оператора, санитарно-гигиенических условий труда, психофизиологического состояния субъекта, от учета эргономических требований.

Метод измерения . Очень часто измерение одной и той же величины постоянного размера разными методами дает различные результаты, причем каждый из них имеет свои недостатки и достоинства. Искусство оператора состоит в том, чтобы соответствующими способами исключить или учесть факторы, искажающие результаты. Если измерение не удастся выполнить так, чтобы исключить или компенсировать какой-либо фактор, влияющий на результат, то в последний в ряде случаев вносят соответствующую поправку.

Влияние СИ наизмеряемую величину во многих случаях проявляется как возмущающий фактор, например, внутренние шумы измерительных электронных усилителей.

Другим фактором является инерционность СИ. Некоторые СИ дают постоянно завышенные или постоянно заниженные показания, что может быть результатом дефекта изготовления.

Условия измерения как влияющий фактор включают температуру окружающей среды, влажность, атмосферное давление, напряжение в сети и т. п.

Учет указанных факторов предполагает исключение ошибок и внесение поправок к измеренным величинам.

Методы измерения определяются видом измеряемых величин, их размерами, требуемой точностью результата, требуемой быстротой процесса измерения и прочими данными.

Существует множество методов измерения, и по мере развития науки и техники число их все увеличивается.

По способу получения числового значения измеряемой величины все измерения разделены на три основных вида: прямые, косвенные и совокупные.

Прямыми называются измерения, при которых искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных (например, измерение массы на циферблатных или равноплечных весах, температуры - термометром, длины - с помощью линейных мер).

Косвенными называются измерения, при которых искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям (например, плотности однородного тела по его массе и геометрическим размерам; определение электрического сопротивления по результатам измерения падения напряжения и силы тока).

Совокупными называются измерения, при которых одновременно измеряют несколько одноименных величин, а искомое значение величин находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин (например, измерения, при которых массы отдельных гирь набора устанавливают по известной массе одной из них и по результатам прямых сравнений масс различных сочетаний гирь).

Ранее говорилось о том, что на практике наибольшее распространение получили прямые измерения ввиду их простоты и скорости исполнения. Дадим краткую характеристику прямым измерениям.

Прямые измерения величин можно производить следующими методами:

1) Метод непосредственной оценки - значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора (измерение давления - пружинным манометром, массы - циферблатными весами, силы электрического тока - амперметром).

2) Метод сравнения с мерой - измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой (измерение массы рычажными весами с уравновешиванием гирями).

3) Дифференциальный метод - метод сравнения с мерой, при котором на измерительный прибор действует разность измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой (измерения, выполняемые при проверке мер длины сравнением с образцовой мерой на компараторе).

4) Нулевой метод - метод сравнения с мерой, когда результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля (измерение электрического сопротивления мостом с полным его уравновешиванием).

5) Метод совпадений - метод сравнения с мерой, при котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадения отметок шкал или периодических сигналов (измерение длины с помощью штангенциркуля с нониусом, когда наблюдают совпадение отметок на шкалах штангенциркуля и нониуса).

6) Метод замещения - метод сравнения с мерой, когда измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой (взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашку весов).

Измерение физической величины - совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины .

В простейшем случае, прикладывая линейку с делениями к какой-либо детали, по сути сравнивают ее размер с единицей, хранимой линейкой, и, произведя отсчет, получают значение величины (длины, высоты, толщины и других параметров детали). С помощью измерительного прибора сравнивают размер величины, преобразованной в перемещение указателя, с единицей, хранимой шкалой этого прибора, и проводят отсчет.

Определение понятия "измерение" удовлетворяет общему уравнению измерений, что имеет существенное значение в деле упорядочения системы понятий в метрологии. В нем учтена техническая сторона (совокупность операций), раскрыта метрологическая суть измерений (сравнение с единицей) и показан гносеологический аспект (получение значения величины).

Виды измерений

Область измерений - совокупность измерений физических величин, свойственных какой-либо области науки или техники и выделяющихся своей спецификой. Примечание - Выделяют ряд областей измерений: механические, магнитные, акустические, измерения ионизирующих излучений и др.

Вид измерений - часть области измерений, имеющая свои особенности и отличающаяся однородностью измеряемых величин. Пример - В области электрических и магнитных измерений могут быть выделены как виды измерений: измерения электрического сопротивления, электродвижущей силы, электрического напряжения, магнитной индукции и др.

Существует несколько видов измерений.

По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения разделяются на:

статические измерения;

динамические измерения.

По способу получения результатов измерений их разделяют на:

косвенные;

совокупные;

совместные.

По условиям, определяющим точность результата, измерения делятся на:

метрологические измерения;

контрольно-поверочные измерения;

технические измерения.

По способу выражения результатов различают:

абсолютные измерения;

относительные измерения.

По характеристике средства измерения различают:

равноточные измерения;

неравноточные измерения.

По числу измерений в ряду измерений:

однократные измерения;

многократные измерения.

Измерения различают по способу получения информации, по характеру изменений измеряемой величины в процессе измерений, по количеству измерительной информации, по отношению к основным единицам.

По способу получения информации измерения разделяют на прямые, косвенные, совокупные и совместные.

Прямые измерения - это непосредственное сравнение физической величины с ее мерой. Например, при определении длины предмета линейкой происходит сравнение искомой величины (количественного выражения значения длины) с мерой, т. е. линейкой.

Косвенные измерения - отличаются от прямых тем, что искомое значение величины устанавливают по результатам прямых измерений таких величин, которые связаны с искомой определенной зависимостью. Так, если измерить силу тока амперметром, а напряжение вольтметром, то по известной функциональной взаимосвязи всех трех величин можно рассчитать мощность электрической цепи.

Совокупные измерения - сопряжены с решением системы уравнений, составляемых по результатам одновременных измерений нескольких однородных величин. Решение системы уравнений дает возможность вычислить искомую величину.

Совместные измерения - это измерения двух или более неоднородных физических величин для определения зависимости между ними.

Совокупные и совместные измерения часто применяют в измерениях различных параметров и характеристик в области электротехники.

По характеру изменения измеряемой величины в процессе измерений бывают статистические, динамические и статические измерения.

Статистические измерения связаны с определением характеристик случайных процессов, звуковых сигналов, уровня шумов и т. д. Статические измерения имеют место тогда, когда измеряемая величина практически постоянна.

Динамические измерения связаны с такими величинами, которые в процессе измерений претерпевают те или иные изменения. Статические и динамические измерения в идеальном виде на практике редки.

По количеству измерительной информации различают однократные и многократные измерения.

Однократные измерения - это одно измерение одной величины, т. е. число измерений равно числу измеряемых величин. Практическое применение такого вида измерений всегда сопряжено с большими погрешностями, поэтому следует проводить не менее трех однократных измерений и находить конечный результат как среднее арифметическое значение.

Многократные измерения характеризуются превышением числа измерений количества измеряемых величин. Преимущество многократных измерений - в значительном снижении влияний случайных факторов на погрешность измерения. измерение метрологический шкала