Современная метрология

 

Современная метрология включает три составляющие: законодательную  метрологию, фундаментальную (научную) и практическую (прикладную) метрологию.

 

Одна из основных задач  метрологии – обеспечение единства измерений. Эта задача  может быть решена при соблюдении двух основных условий:

 

• Выражение результатов измерений в единых узаконенных единицах.
• Установление допускаемых погрешностей результатов измерений и пределов, за которые они не должны выходить при заданной вероятности.

 

Общей целью стандартизации является защита интересов потребителей и государства по вопросам качества продукции, процессов и услуг.

Стандартизация направлена на достижение следующих целей:

• безопасность продукции, работ и услуг для окружающей среды, жизни, здоровья и имущества;
• безопасность хозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных и техногенных катастроф и других чрезвычайных ситуаций;
• обороноспособность и мобилизационная готовность страны;
• техническая и информационная совместимость, а также взаимозаменяемость продукции;
• единство измерений;
• качество продукции, работ и услуг в соответствии с уровнем развития науки, техники и технологии;

 

Цель государственной  системы сертификации продукции – введение необходимых организационных, технических и экономических мероприятий для обеспечения гарантий, связанных с приобретением и использованием потребителем продукции для собственных потребностей.

ОСНОВЫ МЕТРОЛОГИИ

Введение 

Термин «метрология» произошел  от греческих слов : метрос  –  мера, логос – учение, слово. В  современном понимании это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Основное содержание лекции

Понятие о метрологии.

Понятие о физической величине. Основные и дополнительные ФВ. Единица ФВ, кратные и дольные единицы.

Системы физических единиц, их значение.

Понятие об измерениях ФВ.

Методы и средства измерения  ФВ.

 

К основным направлениям метрологии относятся :

• общая теория измерений; единицы физических величин и их системы;
• методы и средства измерений;
• методы определения точности измерений; основы обеспечения единства измерений и единообразия средств измерения;
• эталоны и образцовые средства измерений; методы передачи размеров единиц от эталонов и образцовых средств измерений рабочим средствам измерений.

Часть направлений метрологии имеет  научный характер. Другая часть относится  к законодательной метрологии. Законодательный  характер метрологии обуславливает  стандартизацию ее терминов и определений.

Понятие о физической величине

Физическая величина – свойство, общее в качественном отношении многим физическим объектам, но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта.

 

Основные и дополнительные ФВ

В результате труда многих ученых была разработана форма метрической  системы - Международная система единиц СИ (SI – System International). Специалисты исходили из того, чтобы охватить системой все области науки и техники; принять удобные для практики размеры основных единиц, уже получившие распространение; выбрать в качестве основных единиц таких величин, воспроизведение которых возможно с наибольшей точностью.

 

Единицы измерений подразделяют на:

• основные,
• дополнительные,
• производные и внесистемные,
• кратные и дольные.

Основными называются единицы, выбранные  произвольно при построении системы единиц.

Основные и дополнительные единицы  системы СИ

Основные единицы:

метр – единица длины,

килограмм – единица массы,

кельвин – единица температуры,

кандела – единица сила света,

ампер – единица силы тока,

секунда – единица времени,

моль – количество вещества.

Дополнительные единицы: радиан- единица плоского угла, стерадиан - единица телесного угла.

 

Производными называют единицы, образуемые по определяющему эти единицы уравнению из других единиц данной системы. Примером производной единицы может служить единица скорости - м/с.

Под внесистемными единицами понимают единицы, которые не входят в какую-либо систему единиц. Примерами таких единиц могут быть ангстрем, центнер, литр, калория и др

 

 

Система СИ охватывает практически  все отрасли науки и техники, т.е. является универсальной системой, значительно уменьшая необходимость применения каких-либо других единиц, и в целом представляет собой единую систему, общую для большинства областей измерений.

 

Для однородных величин в разных областях применяется одна единица. Связность (когерентность) системы значительно облегчает изучение физических закономерностей.

 

Например, все виды энергии, работы выражаются в джоулях (Дж), вместо применяемых  еще в различных отраслях науки  и техники разных единиц, таких как килограмм-сила-метр (кгс*м), эрг (эрг), лошадиная сила на час (л.с.*ч), ватт-час (вт*ч), калория (кл) и др. Система единиц СИ позволяет значительно упростить операции по решению уравнений, расчету и составлению графиков и номограмм, так как отпадает необходимость применения большого количества переводных коэффициентов.

Понятие об измерениях ФВ

Всякое измерение связано с  определением числовых значений физических величин, с помощью которых раскрываются закономерности исследуемых явлений.

 

Понятие физических величин, например массы, длины и т.д., - это отображение объективно существующих, присущих материальным объектам свойств массы, протяженности и т. д.

 

Эти свойства существуют вне и независимо от нашего сознания, независимо от наблюдателя, качества средств и методов, использованных при измерениях.

 

Физические  величины, характеризующие материальный объект в данных условиях, не создаются  измерениями, а только обнаруживаются с их помощью.

 

Для обеспечения единства измерений, необходима тождественность единиц, в которых проградуированы все средства измерений одной и той же физической величины.

Для этого применяют средства измерений, хранящие и воспроизводящие установленные  единицы физических величин и  передающие их соответствующим средствам  измерений. Высшим звеном в метрологической передаче размеров единиц являются эталоны.

 

 

Эталон  единицы – средство измерений (или комплекс средств) обеспечивающее воспроизведение и (или) хранение единицы с целью передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений, выполненное по особой спецификации и официально утвержденное в установленном порядке в качестве эталона.

Эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы с наивысшей в стране (по сравнению с другими эталонами той же единицы) точностью, называется первичным.

 

Специальный эталон воспроизводит единицу в особых условиях и заменяет при этих условия первичный эталон.

Первичный или специальный эталон, официально утвержденный в качестве исходного для страны, называется государственным.

Примеры: государственный первичный эталон единицы ЭДС (ГОСТ 8.027-75); специальный эталон единицы напряжения - тока в диапазонах частот 100...1500 Мгц (ГОСТ 8072-73 и 8075-73).

 

В метрологической  практике широко используют вторичные эталоны, значения которых устанавливается по первичным эталонам.

Вторичные эталоны являются частью подчиненных средств хранения единиц и передачи их размера. Они создаются и утверждаются в тех случаях, когда это необходимо для обеспечения наименьшего износа государственного эталона.

Вторичные эталоны по своему назначению делятся на эталоны-копии, эталоны сравнения, эталоны-свидетели и рабочие эталоны.

 

Эталон-копия предназначен для передачи размеров единиц рабочим эталонам. Он не всегда является физической копией государственного эталона.

Эталон-свидетель предназначен для проверки сохранности государственного эталона и для замены его в случае порчи или утраты.

Эталон  сравнения применяют для сличения эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличаемы друг с другом (пример : т.н. нормальный элемент, используемый для сличения государственного эталона Вольта с эталоном Вольта Международного бюро мер и весов).

Рабочий эталон применяют для передачи размера единицы образцовым средствам измерений высшей точности, а в отдельных случаях – наиболее точным средствам измерений.

 

Образцовое средство измерения – мера, измерительный прибор или измерительный преобразователь, служащий для поверки по ним других средств измерений и утвержденные в качестве образцовых.

Поверка средств измерений – определение метрологическим органом погрешности средств измерений и установления его пригодности к применению.

 

Образцовые  средства измерений могут иметь разные разряды. Между ними существует соподчиненность: образцовые средства измерений первого разряда поверяют, как правило, непосредственно по рабочим эталонам, образцовые средства измерений второго и последующих разрядов подлежат поверке по образцовым средствам измерений непосредственно предшествующих разрядов. Рабочее средство измерений – применяют для измерений, не связанных с передачей размеров единиц.

Методы  и средства измерения ФВ

Для практического измерения единицы  величины применяются технические  средства, которые имеют нормированные  погрешности и называются средствами измерений (СИ).

 

К средствам измерений (СИ) относятся:

• меры,
• датчики информации (индикаторы),
• измерительные преобразователи и измерительные приборы,
• измерительные установки и системы, измерительные принадлежности.

 

 

Мерой называется СИ, предназначенное для воспроизведения физических величин заданного размера. К данному виду СИ относятся гири, концевые меры длины и т.п. На практике используют однозначные и многозначные меры, а также наборы и магазины мер.

Однозначные меры воспроизводят величины только одного размера (гиря).

Многозначные  меры воспроизводят несколько размеров физической величины. Например, линейка с миллиметровыми делениями дает возможность выразить длину предмета в сантиметрах и в миллиметрах.

 

В процессе измерений измеряются свойства, в качественном отношении общие для многих объектов или явлений, эти свойства без участия органов чувств человека должны быть каким-то образом обнаружены, в чем-то должны проявиться.

 

Технические устройства, предназначенные  для обнаружения (индикации) физических свойств, называются индикаторами.

 

Измерительные преобразователи - это средства измерений, вырабатывающие сигналы измерительной информации в форме, удобной для дальнейшего преобразования, передачи, хранения, обработки, но, как правило, недоступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

 

Измерительный прибор представляет собой совокупность преобразовательных элементов, образующих измерительную цепь, и отсчетного устройства. В отличие от вещественной меры прибор не воспроизводит известное значение физической величины. Измеряемая величина должна подводиться к нему и воздействовать на его первичный преобразователь.

 

Измерительные системы и установки состоят из функционально объединенных средств измерений и вспомогательных устройств, собранных в одном месте.

В измерительных системах эти средства и устройства территориально разобщены и соединены каналами связи.

В измерительных установках, и измерительных  системах выходной сигнал измерительной  информации может иметь форму, удобную  как для непосредственного восприятия, так и для автоматической обработки, передачи и использования в автоматизированных системах управления.

 

Многообразие средств измерений  заставляет принимать соответствующие  меры, чтобы не нарушить единство измерений.

Под единством измерений понимают такое их состояние, при котором выполняются следующие требования - результаты выражены в узаконенных единицах, а точность измерений документирована.

 

Первое требование обычно выполняется  благодаря тому, что результаты измерений  выражаются в единицах СИ. Для соблюдения второго требования средства измерений должны иметь определенные (нормированные) метрологические характеристики. Метрологическими характеристиками средств измерений называются такие их технические характеристики, которые влияют на результаты и точность измерений (цена деления, чувствительность, быстродействие, класс точности  и др.)

 

По способу получения числового  значения измеряемой величины все измерения  делят на четыре основных вида:

прямые,

косвенные,

совокупные,

совместные.

 

 

Прямым называется измерение, при котором искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных.

 

Примерами прямых измерений являются измерение сопротивления омметром, измерение мощности ваттметром, измерение  давления манометром и т. д.

 

 

Косвенным называется измерение, при котором искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям.

 

 

Примеры косвенных измерений: определение  значения активного сопротивления R резистора на основе прямых измерений силы тока через резистор и падения напряжения U на нем по формуле R==U/I; определение плотности тела цилиндрической формы на основе прямых измерений его массы т, диаметра d и высоты h цилиндра