Днепропетровский государственный технический университет железнодорожного транспорта

Кафедра теплотехники

Арестов А.П.

Конспект лекций по дисциплине «Метрология и стандартизация».

Часть 1. Метрология.

Днепропетровск – 1998

1.Предмет и задачи метрологии.

1. Основные термины, применяемые в метрологии.

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. 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 из них имеют научный характер. Другая часть относится к законодательной метрологии. Законодательный характер метрологии обуславливает стандартизацию ее терминов и определений.

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

Измерение – нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Под измерением понимается процесс экспериментального сравнения данной физической величины с однородной физической величиной, значение которой принято за единицу.

Единица физической величины – физическая величина, которой по определению присвоено значение, равное 1.

Единицы физической величины представляют собой вспомогательный аппарат, применимый при изучении объектов природы. Принципиально можно представить бесконечное множество единиц физических величин. Но практика выдвигает требование единства измерений, которое можно обеспечить при любой системе единиц. Однако для сопоставления результатов измерений без пересчетов (при переходе от одной системы единиц к другой) необходимо, чтобы результаты измерений выражались в узаконенных единицах.

Единство измерений – состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности измерений известны с заданной вероятностью. Как ясно из определения, это понятие включает не только выполнение условия единства используемых единиц физических величин, но и значение погрешности измерения.

Средство измерений – техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические свойства. По техническому назначению средства измерений подразделяются на меры, измерительные приборы, измерительные преобразователи, вспомогательные средства измерений, измерительные установки и измерительные системы.

Мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера (кварцевый генератор является мерой частоты электрических колебаний). Мера, воспроизводящая ряд одноименных величин различного размера, называется многозначной (конденсатор постоянной емкости выполняет роль однозначной меры, а конденсатор переменной емкости – многозначной). Часто используется набор мер – специально подобранный комплект мер, применяемых не только отдельно, но и в различных сочетаниях для воспроизведения ряда одноименных величин различного размера.

Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Измерительные приборы бывают аналоговые и цифровые, показывающие и регистрирующие.

Измерительный преобразователь – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем. Первичным называется преобразователь, являющийся первым в электрической цепи и к которому непосредственно подводится измеряемая величина. Передающий измерительный преобразователь предназначен для дистанционной передачи сигнала измерительной информации; масштабный измерительный преобразователь – для изменения измеряемой величины в заданное число раз.

Вспомогательное средство измерений – средство измерения величин, влияющих на метрологические свойства другого средства измерений при его применении. Эти средства применяют для контроля за поддержанием значений влияющих величин в заданных пределах.

Измерительная установка – совокупность функционально объединенных средств измерений (мер, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной (для автоматической обработки, передачи и использования в АСУ) для непосредственного восприятия наблюдателем и расположенная в одном месте.

Измерительная система – совокупность средств измерений (мер, И.П., И.Пр.) и вспомогательных устройств соединенных между собой каналами связи, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме удобной для автоматической обработки, передачи и использования в АСУ.

1. Классификация измерений.

По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения делятся на статические и динамические.

Статические измерения соответствуют случаю, когда измеряемая величина остается постоянной.

Динамические – когда измеряемая величина изменяется.

По способам получения результатов различают прямые, косвенные, совокупные и совместные измерения.

Прямыми называются измерения, при которых искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных. При этом измеряемую величину сравнивают с мерой измерительными приборами, градуированными в требуемых единицах (сила тока – А – метром).

При косвенных измерениях искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. Косвенные измерения широко распространены в тех случаях, когда искомую величину невозможно или сложно измерить непосредственно или когда прямое измерение дает менее точный результат.

При совокупных измерениях одновременно измеряют несколько однотипных величин и искомые значения величин находят решая систему уравнений, полученных при прямых измерениях различных сочетаний этих величин.

Совместные измерения – производимые одновременно измерения двух или нескольких одноименных величин для нахождения зависимости между ними.

По способу выражения результатов измерений различают абсолютные и относительные измерения.

Абсолютное измерение основано на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значений физических констант (измерение напряжения в Вольтах).

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

По используемому методу измерения – совокупности приемов использования принципов и средств измерений различают :

Метод непосредственной оценки, в котором значение величины определяется непосредственно по отсчетному устройству измерительного преобразователя прямого действия.

Метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Этот метод имеет следующие модификации : противопоставления, дифференциальный, нулевой, замещения, совпадений.

Метод противопоставления – измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения с помощью которого устанавливаются соотношения между этими величинами.

Метод дифференциальный – на измерительный прибор воздействует разность измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой.

Метод нулевой – результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля.

Метод замещения – измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой.

Метод совпадений – разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадения отметок шкал или периодических сигналов.

1. Основные характеристики измерений.

Принцип измерений – физическое явление или совокупность физических явлений, положенных в основу измерений.

Погрешность измерений – отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины.

Истинное значение физической величины идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующие свойства объекта, но оно остается неизвестным, поэтому с помощью измерений находят такое действительное значение, настолько приближающееся к истинному, что для данной цели может быть использовано вместо него.

Точность измерения – качество измеряемой величины, отражающее близость к нулю систематической погрешностей результатов (т.е. таких погрешностей, которые остаются постоянными или закономерно изменяются при повторных измерениях одной и той же величины). Правильность измерений зависит от того, насколько были верны средства измерений, используемые при эксперименте.

Достоверность измерения – степень доверия к результатам измерений. Измерения для которых известны вероятные характеристики отклонения результатов от истинного значения относятся к достоверным. Наличие погрешности ограничивает достоверность измерений, так как вносит ограничение в число достоверных значащих цифр числового значения измеряемой величины и определяет точность измерений.

Сходимость измерений – качество измерений, отражающее близость друг к другу результатов измерений, выполняемых в одинаковых условиях.

Воспроизводимость измерений – качество измерений, отражающее близость друг к другу результатов измерений, выполненных в различных условиях (в различное время, в различных местах).

1. Физические величины и единицы.

Комиссия по разработке единой Международной системы единиц разработала проект Международной системы единиц, который был утвержден 9-й генеральной конференцией по мерам и весам. Принятая система была названа 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.

В системе СИ в качестве основных единиц приняты :

Метр – единица длины, килограмм – единица массы, кельвин – единица температуры, кандела – единица сила света, ампер – единица силы тока, секунда – единица времени, моль – количество вещества.

Остальные единицы являются производными.

Для измерения результатов измерений в узаконенных единицах, размер последних должен либо хранится или воспроизводится на месте, либо передаваться каким-то образом с места хранения или воспроизведения. В зависимости от этого различают централизованное и децентрализованное воспроизведение единиц физических величин. В первом случае оно осуществляется с помощью специальных технических средств, называемых эталонами, а для передачи размера единиц используются образцовые средства измерений. Во втором случае единица производной физической величины (например площади) воспроизводится на месте через единицы основных физических величин. Последние хранятся и воспроизводятся только централизованно в соответствии с их определением.

Главной задачей современной метрологии является создание полной системы взаимосвязанных естественных эталонов на основе использования фундаментальных физических констант и высокостабильных квантовых явлений. Важный шаг в решении этой задачи сделан 18-й Генеральной конференцией по мерам и весам, принявшей в 1983 году новое определение метра – как длины пути, проходимого светом в вакууме за промежуток времени равный 1/299792458 с.

При таком подходе единица длины может воспроизводится децентрализовано, с помощью фундаментальной физической константы – скорости света и единицы времени секунды, определяемой через период эталонной частоты, передаваемой по радио. Единицы времени и частоты воспроизводятся сейчас с наименьшей погрешностью.

1. Эталоны и образцовые средства измерений.

Чтобы обеспечить единство 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 передачи 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.