Основная физическая величина
реклама
МЕТРОЛОГИЯ 1. Единицы физических величин. Система СИ Основным предметом измерения в метрологии является физическая величина. Физическая величина применяется для описания систем и объектов, относящихся к любым наукам и сферам деятельности. Физические величины подразделяются на два вида: основные и производные. Совокупность физических величин, образованная в соответствии с принятыми принципами, создает систему физических величин, при этом одни величины принимаются как независимые, а другие определяются как функции независимых величин. Основная физическая величина— это величина, входящая в систему величин и условно принятая в качестве независимой от других величин этой системы. Производная физическая величина — величина, входящая в систему величин и определяемая через основные величины этой системы. В качестве примера производных величин механики системы LJV1T может быть сила F, приложенная к материальной точке и определяемая уравнением: F = т·а, где т — масса точки; а — ускорение, вызванное действием силы F. Основным величинам соответствуют основные единицы измерений, а производным — производные единицы измерений. Важной характеристикой физической величины является ее размерность — выражение в форме степенного одночлена, составленного из произведений символов основных физических величин в различных степенях и отражающее связь данной физической величины с физическими величинами, принятыми в данной системе величин за основные с коэффициентом пропорциональности, равным 1. В соответствии с международным стандартом ИСО 31/0, размерность величин следует обозначать знаком dim (dimension — размер). Так, например, для системы величин механики (LMT), в которой в качестве основных физических величин приняты длина L, масса М и время Ту размерность величины Q будет: dimQ = La·Mb·Tγ Размерная, безразмерная физическая величина Физическая величина, в размерности которой хотя бы одна из основных физических величин возведена в степень, не равную нулю, называется размерной физической величиной. Безразмерной называется такая физическая величина, в размерности которой основные физические величины входят в степени, равной нулю. В метрологии существуют два вида уравнений, связывающих между собой различные физические величины: уравнение связи между величинами и уравнение связи между числовыми значениями. Уравнения связи между величинами имеет вид: Q = f(Q1, Q2, …Qm) где Q1, Q2,…Qm — величины, связанные с измеряемой величиной Q некоторым уравнением связи. Они представляют соотношение между величинами в общем виде, независимо от единиц. Любая система единиц физических величин представляет собой совокупность основных и производных единиц. Единица измерения физической величины — это физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное 1, и применяемая для количественного выражения однородных с ней физических величин. В настоящее время в Российской Федерации используется система единиц физических величин СИ, введенная ГОСТ 8.417-2002 «ГСИ. Единицы физических величин», которая соответствует международной системе SI (начальные буквы французского наименования Systeme International). В качестве основных единиц приняты метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль и кандела. Производная единица — это единица производной физической величины системы единиц, образованная в соответствии с уравнением, связывающим ее с основными единицами или с основными и уже определенными производными. Например, м/с — единица скорости, образованная из основных единиц СИ — метра и секунды. Система единиц СИ — единственная система единиц физических величин, которая сегодня принята и используется в большинстве стран мира. Она обладает несомненными достоинствами и преимуществами перед другими системами единиц. . 2. Основные, дополнительные, кратные, дольные и внесистемные единицы В настоящее время система единиц СИ состоит из 7 основных и ряда производных единиц физических величин. Приняты следующие определения основных единиц СИ. Единица длины ~ метр — длина пути, проходимого светом в вакууме за 1/299792458 доли секунды. Единица массы — килограмм — масса, равная массе международного прототипа килограмма (платиноиридиевый цилиндр (90%Pt, 10%Ir)). Единица времени ~ секунда — продолжительность 9192631770 периодов излучения, соответствующих переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133, не возмущенного внешними полями. Единица силы электрического тока — ампер — сила не изменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, создает между этими проводниками силу взаимодействия, равную 2 * 10" Н на каждом участке проводника длиной 1 м. Единица термодинамической температуры — кельвин (до 1967 г. имел наименование градус Кельвина) — 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. Допускается выражение термодинамической температуры в градусах Цельсия. Единица количества вещества — моль — количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько атомов содержится в 0,012 кг углерода с атомной массой 12. Структурные элементы — это атомы, молекулы, ионы или другие частицы, из которых состоит данное вещество. Число структурных элементов Z в веществе можно определить по формуле: Z = v·NA, где NA= 6,022 • 10 моль' — число Авогадро, определяющее число структурных элементов, содержащихся в 1 моле любого вещества; v — количество вещества в молях. Единица силы света — кандела — сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540 • 1012 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт-ср'1. Кратные и дольные единицы. Размеры единиц системы СИ часто бывают неудобны, — или слишком велики или очень малы. Поэтому пользуются кратными и дольными единицами, т.е. единицами, в подходящее целое число раз большими или меньшими единицы данной системы. Широко применяются десятичные кратные и дольные единицы, которые получаются умножением исходных единиц на число 10, возведенное в степень. Кратная единица — это единица физической величины, в целое число раз превышающая системную или внесистемную единицу. Дольная единица — это единица физической величины, значение которой в целое число раз меньше системной или внесистемной единицы. Для образования наименований десятичных кратных и дольных единиц используются соответствующие приставки (табл. 6.3). Например, в радиоэлектронике широко применяются следующие кратные и дольные единицы: частота — 106Гц=1МГц; 109Гц=1ГГц; 1012Гц=1ТГц; напряжение — 103В=1кВ; 10^В=0,1мВ; 10"6В=1мкВ; длительность импульса — 10"6с=1мкс; 10"9с=1нс; 1012с=1пс; емкость — 10 12Ф=1пФ. Внесистемные единицы — это такие единицы физических величин, которые не входят в принятую в каждом конкретном случае систему единиц. Они подразделяются на: 23 1 — допускаемые к применению наравне с единицами СИ; — допускаемые к применению в специальных областях; — временно допускаемые; — устаревшие (не допускаемые). — 3. Основные понятия и задачи метрологии Метрология в ее современном понимании — наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности (ГОСТ 16263-70, МИ 2247-93, РМГ 29-99). Метрология состоит из трех самостоятельных и взаимодополняющих разделов — теоретического, прикладного и законодательного. Теоретическая метрология занимается общими фундаментальными вопросами теории измерений, разработкой новых методов измерений, созданием систем единиц измерений и физических постоянных. Законодательная метрология устанавливает обязательные технические и юридические требования по применению единиц физических величин, эталонов, методов и средств измерений, направленные на обеспечение единства и точности измерений в интересах общества. Прикладная метрология изучает вопросы практического применения результатов разработок теоретической и законодательной метрологии в различных сферах деятельности. Предметом метрологии является получение количественной информации о свойствах объектов и процессов с заданной точностью и достоверностью. Средства метрологии — это совокупность средств измерений и метрологических стандартов, обеспечивающих их рациональное использование. Главными задачами метрологии являются: — обеспечение единства измерений; — унификация единиц и признание их законности; — разработка систем воспроизведения единиц и передача их размеров рабочим средствам измерений. Основное понятие метрологии — измерение. Измерение — это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Значимость измерений выражается в трех аспектах: философском, научном и техническом. Философский аспект заключается в том, что измерения являются важнейшим универсальным методом познания физических явлений и процессов. Научный аспект измерений состоит в том, что с их помощью осуществляется связь теории и практики, без них невозможны проверка научных гипотез и развитие науки. Технический аспект измерений — это получение количественной информации об объекте управления и контроля, без которой невозможно обеспечение заданных условий технологического процесса, качества продукции и эффективного управления процессом. Термин «измерение» связывается преимущественно с физическими величинами. Физическая величина (ФВ) — одно из свойств физического объекта (системы, явления, процесса), общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них. Единица физической величины — это физическая величина, которой по определению присвоено числовое значение, равное единице. Различают истинное значение физической величины, идеально отражающее свойство объекта, и действительное — найденное экспериментально, достаточно близкое к истинному значению физической величины и которое можно использовать вместо него. 4. Основное уравнение измерения Измерение некоторой физической величины производят путем ее сравнения в ходе физического эксперимента с величиной, принятой за единицу физической величины. Результатом измерения будет число, показывающее соотношение измеряемой величины с единицей физической величины. Значение физической величины получают в результате ее измерения или вычисления в соответствии с уравнением: Q = q [Q], (1) которое называют основным уравнением измерения, где Q — значение физической величины — это оценка ее размера в виде некоторого числа принятых для нее единиц; q — числовое значение физической величины — отвлеченное число, выражающее отношение значения величины к соответствующей единице данной физической величины; [Q] — выбранная для измерения единица физической величины. Единство измерений — такое состояние измерений, при котором их результать1 выражены в узаконенных единицах, размеры которых в установленных пределах равны размерам единиц воспроизводимых первичными эталонами, а погрешности результатов измерений известны с заданной вероятностью и не выходят за установленные (допускаемые) пределы. Единство измерений необходимо для того, чтобы можно было сопоставить результаты измерений, выполненных в разных местах, в разное время, с использованием разных методов и средств измерений. 5. Области и виды 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. Принято различать следующие области и виды измерений. 1. Измерение геометрических величин: длин, отклонений формы поверхностей, параметров сложных поверхностей, углов. 2. Измерение механических величин: массы, силы, крутящих моментов, прочности и пластичности, пара метров движения, твердости. 3. Измерение параметров потока, расхода, уровня, объема веществ: массового и объемного расхода жидкостей в трубопроводах, расхода газов, вместимости, параметров открытых потоков, уровня жидкости. 4. Измерение давления, вакуумные измерения: избы точного давления; абсолютного давления, переменного давления, вакуума. 5. Физико-химические измерения: вязкости, плотности, содержания (концентрации) компонентов в твердых, жидких и газообразных веществах, влажности газов, твердых веществ, электрохимические измерения. 6. Теплофизические и температурные измерения: температуры, теплофизических величин. 7. Измерения времени и частоты: методы и средства воспроизведения и хранения единиц и шкал времени и частоты; измерения интервалов времени; измерения частоты периодических процессов; методы и средства пере дачи размеров единиц времени и частоты. 8. Измерения электрических и магнитных величин на постоянном и переменном токе: силы тока, количества электричества, электродвижущей силы, напряжения, мощности и энергии, угла сдвига фаз; электрического сопротивления, проводимости, емкости, индуктивности и добротности контуров электрических цепей; параметров магнитных полей; магнитных характеристик материалов. 9. Радиоэлектронные измерения: интенсивности сигналов; параметров формы и спектра сигналов; параметров трактов с сосредоточенными и распределенными постоянными; свойств веществ и материалов радиотехническими методами; антенные измерения. 10.Измерения акустических величин: акустические — в воздушной среде и в газах; акустические — в водной среде; акустические — в твердых телах; аудиометрия и измерения уровня шума. 11.Оптические и оптико-физические измерения: световые, измерения оптических свойств материалов в видимой области спектра; энергетических параметров некогерентного оптического излучения; энергетических параметров пространственного распределения энергии и мощности непрерывного и импульсного лазерного и квазимонохроматического излучения; спектральных, частотных характеристик, поляризации лазерного излучения; параметров оптических элементов, оптических характеристик материалов; характеристик фотоматериалов и оптической плотности. 12.Измерения ионизирующих излучений и ядерных констант: дозиметрических характеристик ионизирующих излучений; спектральных характер и стик ионизирующих излучений; активности радионуклидов; радиометрических характеристик ионизирующих излучений. Объектом измерения являются физическая система, "процесс, явление и т.д., которые характеризуются одной или несколькими измеряемыми физическими величинами. Примером объекта измерений может быть технологический химический процесс, во время которого измеряют температуру, давление, энергию, расход веществ и материалов. 6. Шкалы измерений Измерения различных величин, характеризующих свойства систем, явлений и других процессов занимают важное место в повседневной жизни. Разнообразные проявления (количественные или качественные) любого свойства образуют множества, отображения элементов которых образуют шкалы измерения этих свойств. Шкала измерений количественного свойства является шкалой физической величины. Шкала физической величины — это упорядоченная совокупность значений физической величины, служащая исходной основой для измерений данной величины. Различают следующие типы шкал измерений: шкалы наименований характеризуются оценкой (отношением) эквивалентности различных качественных проявлений свойства. Эти шкалы не имеют нуля и единицы измерений, в них отсутствуют отношения сопоставления типа «больше — меньше». Это самый простой тип шкал. Пример шкалы наименований: шкалы цветов, представляемые в виде атласов цветов. При этом процесс измерений заключается в достижении (например, при визуальном наблюдении) эквивалентности испытуемого образца с одним из эталонных образцов, входящих в атлас цветов; шкалы порядка описывают свойства величин, упорядоченные по возрастанию или убыванию оцениваемого свойства, т.е. позволяют установить отношение больше/ меньше между величинами, характеризующими это свойство. В этих шкалах может в ряде случаев иметься нуль (нулевая отметка), но принципиальным для них является отсутствие единицы измерения, поскольку невозможно установить, в какое число раз больше или меньше проявляется свойство величины. Примеры шкал порядка: шкалы измерения твердости, баллов силы ветра, землетрясений; шкалы интервалов (разностей) описывают свойства величин не только с помощью отношений эквивалентности и порядка, но также и с применением отношений суммирования и пропорциональности интервалов (разностей) между количественными проявлениями свойства. Шкалы интервалов могут иметь условно выбранное начало — нулевую точку. К таким шкалам, например, относятся летоисчисление по различным календарям, в которых за начало отсчета принято либо сотворение мира, либо Рождество Христово, температурные шкалы Цельсия, Фаренгейта, Реомюра. Шкала интервалов величины Q описывается уравнением: 𝑄 = 𝑄0 + 𝑞[𝑄] где q — числовое значение величины, Qo — начало отсчета шкалы; [Q] — единица рассматриваемой величины. Такая шкала определяется заданием начала отсчета Qo шкалы и единицы величины [Q); шкалы отношений описывают свойства величин, для множества количественных проявлений которых применимы логические отношения эквивалентности, порядка и пропорциональности, а для некоторых шкал также отношение суммирования. В шкалах отношений существует естественный нуль и по согласованию устанавливается единица измерения. Шкалы отношений описываются уравнением: Q = q [Q], где Q — физическая величина, для которой строится шкала Примерами шкалы отношений являются шкалы массы и термодинамической температуры: абсолютные шкалы кроме всех признаков шкал отношений обладают дополнительным признаком: в них присутствует однозначное определение единицы измерения. Такие шкалы присущи таким относительным единицам, как коэффициенты усиления, ослабления, полезного действия и т.д. Ряду абсолютных шкал, например, коэффициентов полезного действия, присущи границы, заключенные между нулем и единицей; условные шкалы — шкалы величин, в которых не определена единица измерения. К ним относятся шкалы наименований и порядка. Шкалы интервалов, отношений и абсолютные называются обычно метрическими (физическими), а шкалы наименований и порядка — неметрическими. Практическая реализация шкал измерений осуществляется путем стандартизации как самих шкал и единиц измерений, так и способов и условий их однозначного воспроизведения. 7. Классификация измерений Все измерения классифицируют: —по способу получения информации; —по характеру изменения измеряемой величины в процессе измерения; —по количеству измерительной информации; —по отношению к основным единицам. По способу получения информации измерения разделяются на следующие виды: 1. Прямые измерения, при которых искомое значение физической величины получают непосредственно (путем сравнения величины с ее единицей). При прямых измерениях объект исследования приводят во взаимодействие со средством измерений и по его показаниям отсчитывают значение измеряемой величины. К прямым измерениям относятся измерение массы при помощи весов и гирь, силы тока — амперметром, температуры — термометром, измерение длины — линейкой. 2. Косвенные измерения, при которых искомое значение физической величины определяют на основании прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной. Например, плот ность тела можно определить по результатам измерений массы т и объема V: 𝜌= 𝑚 𝑉 3. Совокупные измерения, при которых одновременно проводятся измерения нескольких одноименных величин и искомое значение величины определяют путем решения системы уравнений, получаемых при измерениях этих величин в различных сочетаниях, при этом число уравнений должно быть не меньше числа величин. Например, значение массы отдельных гирь набора определяют по известному значению массы одной из гирь и по результатам измерений (сравнений) масс различных сочетаний гирь. 4. Совместные измерения, при которых одновременно проводятся измерения двух или нескольких неодноименных величин для определения зависимости между ними, например, зависимость длины объекта от температуры. По характеру изменения получаемой информации в процессе измерений измерения подразделяются на статические и динамические. Статические измерения — это такие измерения, когда физическая величина принимается за неизменную на протяжении времени измерения, например, измерение размеров земельного участка. Динамические измерения — это измерения, изменяющиеся по размеру физической величины. Развитие средств измерений и повышение их чувствительности позволяет сегодня обнаружить изменение величин, ранее считавшихся постоянными, поэтому разделение измерений на динамические и статические можно считать условным. По количеству измерительной информации измерения делятся на однократные и многократные. Однократные измерения выполняются один раз, а многократные позволяют получить результат из нескольких следующих друг за другом измерений одного и того же объекта. При однократных измерениях показания средств измерений являются результатом измерений, погрешность используемого средства измерений определяет погрешность результата измерения. Применение многократных измерений позволяет повысить точность измерения до определенного предела. По отношению к основным единицам измерения делятся на абсолютные и относительные. Абсолютные измерения основаны на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значений физических констант. Например, определение массы в килограммах, количества вещества — в молях, частоты — в Герцах. Относительные измерения — это измерения отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерения изменения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную. Например, относительная влажность определяется как отношение упругости водяного пара, содержащегося в воздухе, к упругости насыщенного пара при той же температуре и выражается в процентах. 8. Основные характеристики и критерии качества измерений К основным характеристикам измерений, которые определяют и качество измерений, относятся: принцип, метод, погрешность результатов измерения, точность, правильность, сходимость и воспроизводимость результатов измерений. Последовательность операций выполнения измерений, правила и приемы, позволяющие получить результат с требуемой точностью, излагаются в документе, который называется методикой выполнения измерений (МВИ). МВИ должна содержать метрологические характеристики и быть аттестована соответствующими метрологическими службами. Дадим определения основным характеристикам измерений. Принцип измерений — физическое явление (физический закон или эффект), положенное в основу измерений. Например, применение эффекта Доплера для измерения скорости движения звезд, вращения небесных тел. Метод измерений — прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. Например, определение структуры соединений методом ядерного магнитного резонанса или методом инфракрасной спектроскопии. Погрешность измерений — отклонение результатов измерений от истинного (действительного) значения измеряемой величины. Погрешность измерений представляет собой сумму целого ряда составляющих, каждая из которых имеет свою причину. Сходимость — это близость друг к другу результатов измерений одной и той же величины, выполненных повторно одним и тем же средством, одним и тем же методом в одинаковых условиях и с одинаковой тщательностью. Воспроизводимость — близость результатов измерений одной и той же величины, полученных в разных местах, разными методами, разными средствами, разными операторами, в разное время, но приведенных к одним и тем же условиям измерений (температура, давление, влажность и др.). Точность — характеристика качества измерений, отражающая близость к нулю значения погрешности результатов измерений. Высокая точность измерений соответствует малым величинам погрешностей измерения. В 2002 году в России введены в действие государственные стандарты ГОСТ Р ИСО 5725-2002 части 1-6 под общим заголовком «Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений», которые являются прямым применением шести частей основополагающего Международного стандарта ИСО 5725. Эти стандарты используются в практической деятельности при разработке, аттестации и применении методик выполнения измерений, стандартизации методик контроля (испытаний, измерений, анализа), испытаниях продукции, в том числе для целей подтверждения соответствия, оценки компетентности испытательных лабораторий согласно требованиям ГОСТ Р ИСО/МЭК 17025-2000. Стандарты ИСО 5725 могут применяться для оценки точности выполнения измерений различных физических величин, характеризующих измеряемые свойства того или иного объекта, в соответствии со стандартизованной процедурой. Следует отметить, что в отечественной метрологии точность и погрешность результатов измерений, как правило, определяются сравнением результатов измерений с истинным или действительным (условно истинным) значением измеряемой физической величины. Часто за действительное значение принимают общее среднее значение (математическое ожидание) установленной совокупности результатов измерений. В ИСО 5725 вместо термина «действительное значение» введен термин «принятое опорное значение», который и рекомендуется для использования в практике. Термины «правильность» и «прецизионность» в отечественных нормативных документах по метрологии до введения стандартов ГОСТ Р ИСО 5725-2002 не использовались. Дадим определение этих терминов. Правильность характеризует степень близости среднего арифметического значения большого числа результатов измерений к'истинному (действительному) или принятому опорному значению. Показателем правильности обычно является значение систематической погрешности. Прецизионность — степень близости друг к другу независимых результатов измерений, полученных в конкретных регламентированных условиях. Мера прецизионности обычно вычисляется как стандартное отклонение результатов измерений. Крайние показатели прецизионности — повторяемость (сходимость) и воспроизводимость широко используются в отечественных нормативных документах, в том числе в большинстве государственных стандартов на методы контроля. Термин «точность» в соответствии с ГОСТ Р ИСО 5725-1-2002 определяется как степень близости результата измерений к применяемому опорному значению. Внедрение стандартов ГОСТ Р ИСО 5725 только начинается в России и направлено на более эффективную реализацию требований Российской государственной системы стандартизации при разработке стандартов на методы контроля продукции различных отраслей промышленности. 9. Средства измерений и их классификация Измерения выполняются с помощью специальных технических средств, имеющих нормированные метрологические характеристики, воспроизводящие и хранящие единицу физической величины, размер которой принимается неизменным в пределах установленной погрешности в течение известного интервала времени. Такие технические средства являются средствами измерений. Данное определение раскрывает метрологическую сущность средства измерения, заключающуюся, во-первых, в «умении» хранить (или воспроизводить) единицу физической величины и, во-вторых, в неизменности размера хранимой единицы. К средствам измерений относятся меры, измерительные преобразователи и приборы, измерительные установки и системы. Меры предназначены для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров. К мерам относятся гири, концевые меры длины, нормальные элементы (меры ЭДС) и др. Меры, воспроизводящие физическую величину одного размера, называются однозначными. Меры, воспроизводящие физическую величину разных размеров, называются многозначными. Примером многозначной меры является миллиметровая линейка, воспроизводящая наряду с миллиметровыми также и сантиметровые размеры длины. Применяются также меры в виде наборов и магазинов мер. Набор мер представляет собой комплект однородных мер разного размера, предназначенных для применения в различных сочетаниях (например, набор концевых мер длины). Магазин мер — набор мер, конструктивно объединенных в единое устройство, в котором предусмотрено ручное или автоматизированное соединение мер в необходимых комбинациях (например, магазин электрических сопротивлений). Часто к однозначным мерам относят стандартные образцы и стандартные вещества. Указанное на мере значение величины является номинальным значением меры. В специальном свидетельстве, придаваемом мере, указывается действительное значение, определенное при высокоточных измерениях с помощью соответствующего эталона. Разность между номинальным и действительным значениями называется погрешностью меры. Величина, обратная погрешности меры по знаку, представляет собой поправку к номинальному значению меры. Измерительные преобразователи предназначены для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал с целью представления измеряемой величины в форме, удобной для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи. Измерительные преобразователи входят в состав измерительных приборов (установок, систем) или применяются вместе с каким-либо средством измерений. Самым распространенным по количеству видом средств измерений являются первичные измерительные преобразователи, которые служат для непосредственного (первого) восприятия измеряемой величины, как правило, неэлектрической, и преобразования ее в другую величину — электрическую. Часть первичного преобразователя, воспринимающая измерительный сигнал на его входе, называется чувствительным элементом или сенсором (например, термопара). Первичный измерительный преобразователь, от которого поступают измерительные сигналы, конструктивно оформленный как обособленное средство измерений (без отсчетного устройства), называется датчиком. В подавляющем большинстве случаев датчик предназначен для преобразования неэлектрической физической величины в электрический ток, электрическое напряжение. Промежуточными измерительными преобразователями называются преобразователи, расположенные в измерительной цепи после первичного преобразователя и обычно по измеряемой (преобразуемой) физической величине однородные с ним. По характеру преобразования измерительные преобразователи разделяются на аналоговые, аналого-цифровые (АЦП), цифро-аналоговые (ЦАП). Указанные преобразователи почти всегда являются промежуточными. Измерительные приборы предназначены для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне. Измерительные приборы представляют собой конструктивно объединенную совокупность первичных и промежуточных преобразователей. Измерительные приборы прямого действия преобразуют измеряемую величину, как правило, без изменения ее рода и отображают ее на показывающем устройстве, проградуированном в единицах этой величины (амперметры, вольтметры и др.). Более точными являются приборы сравнения, предназначенные для сравнения измеряемых величин с величинами, значения которых известны (например, измерение массы с помощью эталонных гирь на равноплечных весах) или с помощью мостовых цепей. По способу отчета значений измеряемых величин приборы подразделяются на показывающие (в том числе на аналоговые и цифровые) и регистрирующие. Регистрирующие приборы по способу записи делятся на самопишущие и печатающие. В самопишущих приборах запись показаний представляется в графическом виде, в печатающих — в числовой форме. представляют собой совокупность функционально объединенных средств измерений, мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств с целью измерений одной или нескольких физических величин объекта измерений. В настоящее время большинство измерительных систем являются автоматизированными. Несмотря на различные наименования (АИС — автоматизированная измерительная система, ИИС — информационноизмерительная система, ИВК — измерительно-вычислительный комплекс), все они, по существу, обеспечивают автоматизацию процессов измерений, обработки и отображения результатов измерений. Измерительные системы и комплексы широко используются для автоматизации технологических процессов в различных отраслях промышленности. 10. Принципы выбора средств измерений Выбор средств измерений (СИ) определяет качество измерений. Измерения, выполняемые средствами измерений более низкого класса, чем требуемые, приводят к росту забракованной продукции, неверным выводам по качеству продукции. При выборе средств измерений приходится учитывать ряд факторов: —измеряемую физическую величину; —метод измерения, реализуемый в средстве измерений; —диапазон и погрешность СИ; —условия проведения измерений; —допускаемую погрешность измерений; —стоимость средств измерений; —простоту их эксплуатации; —ресурс средств измерений; —потери из-за погрешностей измерений. Отсутствие единого фактора, по которому можно сравнивать средства измерений, затрудняет решение задачи. Поэтому выбор средств измерений зависит от решаемой измерительной задачи, при этом приходится отдавать предпочтение одним факторам и пренебрегать другими. Основными характеристиками средств измерений являются погрешности. Они наиболее существенно влияют на качество измерений, поэтому при выборе средств измерений их рассматривают в первую очередь. Существуют три основных принципа выбора средств измерений: 1. Экономический подход (наиболее оптимальный, так как учитывает практически все показатели). При этом необходимо иметь в виду: —повышение точности измерений позволяет точнее регулировать производственный процесс; —более точные измерения позволяют сократить до пуски на изделия; —повышение точности измерений приводит к уменьшению необнаруженного и ложного брака. Как правило, с ростом погрешности измерений потери растут, а затраты на измерения снижаются. Экономически оптимальная точность измерений технологического параметра соответствует минимуму суммы потерь из-за погрешности измерений и затрат на измерения, включая затраты на метрологическое обслуживание средств измерений. Зависимость потерь от погрешности измерений и зависимость затрат на измерения определяются на практике не точно, что вызывает неопределенность соответствующей характеристики оптимальной погрешности измерений. Работы по оптимизации точности измерений завершаются разработкой мероприятий по приближению точности измерений к оптимальной и оценке экономического эффекта от их реализации. Мероприятия включают в основном совершенствование методик измерения и приборного парка и совершенствование метрологического обслуживания средств измерений. 2. Вероятностный подход заключается в выборе точности средств измерений по заданному допуску на контролируемый параметр изделия и заданным значениям брака контроля I и II рода (необнаруженный и ложный брак). Если контроль осуществляется абсолютно точными средствами измерений, все изделия, находящиеся в поле допуска, были бы признаны годными, а изделия, у которых измеряемый параметр превышает допуск, были бы признаны непригодными. Из-за существования погрешности измерений при контроле часть негодных изделий будет признана годными (брак контроля II рода), а часть годных изделий — негодными (брак контроля I рода). На брак контроля влияют рассеивание действительных значений контролируемого параметра, установленный допуск на контролируемый параметр, закон распределения погрешностей измерений и рассеяния действительного значения контролируемого параметра. Зависимости вероятности брака контроля от технологического рассеяния контролируемого параметра, погрешности измерений, допуска на контролируемый параметр представляются в виде графиков. С помощью этих графиков при заданных значениях вероятности брака контроля, среднеквадратичного отклонения рассеяния действительных значений контролируемого параметра и допуска на измеряемый параметр можно оценить границы погрешности измерений и необходимую точность средств измерений. 3.Директивный подход позволяет установить соотношения между допуском на контролируемый параметр и предельно допускаемой погрешностью измерений. Однако такой подход не учитывает важности измеряемого параметра и экономических последствий от недостоверного контроля. 11. Метрологические характеристики средств измерений Метрологическая характеристика средства измерения — это характеристика одного из свойств средства измерения, влияющая на результат измерения и на его погрешность. Для каждого типа средств измерений устанавливают свои метрологические характеристики. Метрологические характеристики, устанавливаемые нормативно-техническими документами, называют нормируемыми метрологическими характеристиками, а определяемые экспериментально — действительными метрологическими характеристиками. Перечень метрологических характеристик, правила выбора комплекса нормируемых метрологических характеристик для средств измерений и способы их нормирования изложены в ГОСТ 8.009-84 «ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений». 12. Погрешности измерений и средств измерений В настоящее время измерение является неотъемлемой частью практически любой деятельности человека. Фактически измерения — это процесс, завершающим этапом которого является «результат измерения». Любой результат измерения содержит погрешность, которая складывается из ряда факторов. Это может быть несовершенство средств измерений, выбранного метода измерений, методики измерений, недостаточная тщательность выполнения измерений или обработки результатов, влияние внешних условий (температура, давление, влажность) и др. Погрешность результатов измерения является важной характеристикой измерения, она вычисляется или оценивается и приписывается полученному результату. Погрешность результата измерения — это отклонение результата измерений (Хиам) от истинного (действительного) значения (Хист(действ)) измеряемой величины. Чаще всего она указывает границы неопределенности значения измеряемой величины. Погрешность средства измерения — это разность между показанием средства измерения и истинным (действительным) значением измеряемой физической величины. Она характеризует точность результатов измерений, проводимых данным.средством. Эти два понятия во многом близки друг другу и классифицируются по одинаковым признакам. Но форме представления погрешности разделяются на абсолютные, относительные и приведенные. Погрешность измерений, как правило, представляют в виде абсолютной погрешности, выраженной в единицах измеряемой величины ∆X = Xизм−Xист(действ) или в виде относительной погрешности — отношения абсолютной погрешности к истинному (действительному) значению измеряемой величины или принятому опорному значению (ГОСТ Р ИСО 5725-2002) δ= Хизм − Хист(действ) = X ист(действ) Хист(действ) Необходимо отметить, что истинное значение физической величины неизвестно и применяется в теоретических исследованиях, а действительное значение величины определяется экспериментально из предположения, что результат эксперимента (измерения) наиболее близок к истинному значению величины. Погрешность средств измерений вычисляется по формуле: ∆Xn = Xn − Xист(действ) где Хп — показания прибора; Хист(действ) — истинное (действительное) значение измеряемой величины. Для указания и нормирования погрешности средств измерений используется еще одна разновидность погрешности — приведенная. Приведенная погрешность средства измерений — это относительная погрешность, выраженная отношением абсолютной погрешности средства измерений к условно принятому значению величины, постоянному во всем диапазоне измерений или в части диапазона v=± Xn · 100% Xn Условно принятое значение величины Хн называют нормирующим значением. Нормирующее значение прибора чаще всего принимается равным верхнему пределу Верхний предел измерений Нижний предел измерений Диапазон измерений измерений для данного средства измерений (в случае, если нижний предел — нулевое значение односторонней шкалы прибора). В случае двузначного отсчетного устройства (шкалы) прибора нормирующее значение отнесено к диапазону измерений. По условиям проведения измерений погрешности средств измерений делятся на основные и дополнительные. Основной называется погрешность средства измерений, применяемого в нормальных условиях. Эти условия устанавливаются в нормативнотехнических документах на данный вид или тип средств измерений (температура окружающей среды, влажность, давление, напряжение питающей электрической сети и др.) и при них нормируется погрешность. Составляющая погрешности средства измерений, возникающая дополнительно к основной погрешности вследствие отклонения какойлибо из влияющих величин от нормального его значения или вследствие ее выхода за пределы нормальной области значений, называется дополнительной погрешностью. В большинстве нормативно-технических документов на средства измерений за нормальные значения принимаются следующие: температура окружающей среды (293+5) К; относительная влажность (65+15) %; атмосферное давление (100+4) кПа (750+30 мм рт. ст.); напряжение питающей электрической сети (220+4,4) В с частотой (50+0,5)Гц. По причине возникновения погрешности разделяются на инструментальные, методические и субъективные. Инструментальная погрешность обусловлена несовершенством средств измерений и их конструктивными особенностями. Иногда эту погрешность называют приборной или аппаратурной. Методическая погрешность обусловлена несовершенством и недостатками применяемого в средстве измерений метода измерений и упрощений при разработке конструкции средства измерений, а такж^ возможными недостатками методик измерений. Субъективная (личная) погрешность измерения обусловлена погрешностью отсчета оператором показаний по шкале средства измерений вследствие индивидуальных особенностей оператора (внимание, зрение, подготовка и др.). Эти погрешности практически отсутствуют при использовании автоматических или автоматизированных средств измерений. По характеру измерения физической величины погрешности средства измерений разделяются на статические и динамические. Погрешность средства измерений, применяемого при измерении физической величины, которая за время измерений не изменяется, носит название статической погрешности, а погрешность, возникающая при измерении изменяющейся в процессе измерений физической величины, — динамической погрешности. Классификация погрешностей по различным признакам позволяет оценивать и учитывать вклад каждой из них в общую погрешность измерения и таким образом получать объективные данные о точности результатов измерения.
