56

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ

РАДИОТЕХНИКИ, ЭЛЕКТРОНИКИ И АВТОМАТИКИ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ

(Конспект лекций)

МОСКВА 1998

ББК.............

УДК 389.14

Рецензенты: .................................

.................................

Пастушков А.А. Метрологическое обеспечение средств измерений: Учебное пособие / Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (Технический университет)/.- М.,1998.- 122 с.

ISBN...................

Излагаются основы метрологического обеспечения средств измерений.

Учебное пособие предназначено для студентов, изучающих курс «Метрологическое обеспечение средств измерений».

Табл.-4. Ил.-6. Библиогр.-12.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики (Технический университет).

ISBN........................  Пастушков А.А.

1996

ВВЕДЕНИЕ

В данном пособие рассматриваются некоторые вопросы, связанные с метрологическим обеспечением средств измерений.

Обеспечение высокой точности измерений является весьма сложной задачей. И, хотя существуют специализированные метрологические учреждения различного уровня, основная ответственность за обеспечение качества измерений ложится непосредственно на экспериментатора.

Следует отметить, что только в простейших случаях погрешность измерений можно оценить по паспортным данным прибора. В большинстве же практически интересных случаев для обработки результатов наблюдений приходится использовать теорию вероятности и математическую статистику.

Статистический анализ результатов наблюдений связан с большим объемом достаточно сложных вычислений, что делает необходимым применение вычислительных средств (ЭВМ) при его выполнении. В пособии приведено большое количество текстов программ на MatchcadPLUS 6.0, позволяющих провести подробную статистическую обработку результатов наблюдений.

1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗМЕРЕНИЙ

Измерение является одним из основных понятий метрологии. В соответствии с ГОСТ измерение определяется, как нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Важно отметить, что основным постулатом метрологии является утверждение, что отсчет является случайным числом. Для того, чтобы в этих условиях обеспечить единство, сопоставимость, достоверность, правильность и объективность измерений, приходится принимать дополнительные меры юридического характера, строго регламентировать все стороны метрологической деятельности, связанные с получением, представлением и использованием результатов измерений. Большая часть трудностей, возникающих в метрологии, связана с тем, что отсчет является случайной величиной и, следовательно, не может быть представлен одним числом, а может быть описан только словами или математическими зависимостями, выражениями и символами.

На практике используется несколько видов измерений, которые можно классифицировать следующим образом.

1.1. Классификация измерений¹

По числу выполняемых измерений:

- однократные, основным условием, при котором возможно использование однократного измерения является наличие априорной информации о точности полученного отсчета;

- многократные, многократные измерения одной и той же величины постоянного размера производятся при повышенных требованиях к точности измерений.

По характеру изменения во времени:

- статические, измеряемая величина постоянна;

- динамические, измеряемая величина непостоянна во времени.

По методу измерений:

- прямые, при которых искомое значение физической величины находят непосредственно из опытных данных;

- косвенные, при которых искомую величину определяют на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям;

- совокупные, производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомую величину определяют решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин.

ПРИМЕР. Необходимо произвести калибровку разновеса, состоящего из гирь массой 1, 2, 2*, 5, 10, 20 кг (звездочкой отмечена гиря, имеющая тоже номинальное значение). Калибровка состоит в определении массы каждой гири по одной образцовой гире, например, по гире массой 1 кг. Введем обозначение 1об - масса образцовой гири. Составим следующую систему уравнений

1=1об+а

1+1об=2+Ь

2=2*+с

1+2+2*=5+d и т.д.,

где а, Ь, с, d, ... - грузики, которые приходится прибавлять или отнимать от массы гирь для уравновешивания весов. Решив эту систему уравнений определим массу каждой гири.

Совместные - это производимые одновременно измерения двух или нескольких неоднородных величин для нахождения зависимости между ними.

По точности результата измерений.

Измерения максимально возможной точности, достижимой, при существующем уровне техники. (Эталонные измерения)

Контрольно-поверочные измерения, погрешность которых с определенной вероятностью не должна превышать некоторое заданное значение. (Измерения, выполняемые лабораториями Госнадзора).

Технические измерения, погрешность результата определяется характеристиками средств измерений.

По способу выражения результатов измерений.

Абсолютные измерения, которые основаны на прямых измерениях одной или нескольких основных величин или на использовании значений физических констант (определение длины в метрах, силы электрического тока в амперах, ускорения свободного падения в метрах на секунду в квадрате)

Относительные измерения величины по отношению к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную (измерение относительной влажности воздуха, определяемой как отношение количества водяных паров в 1 м³ воздуха к количеству водяных паров, которое насыщает 1 м³ воздуха при данной температуре).

1.2. ОсновныЕ характеристики измерений

Основными характеристиками измерений являются: принцип измерений, метод измерений, погрешность, точность, правильность и достоверность измерений.

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

Метод измерений - совокупность приемов использования принципов и средств измерений. Средствами измерений являются используемые технические средства, имеющие нормированные метрологические свойства, т.е. такие свойства для которых установлены границы на допустимые отклонения реальных метрологических характеристик от номинальных значений.

Погрешность измерений - разность между полученным при измерении результатом и истинным значением измеряемой величины.

Точность измерений. Количественно точность можно выразить величиной, обратной модулю относительной погрешности:

 =/Х^-1,

где  - погрешность измерения, Х - истинное значение измеряемой величины.

Правильность измерений определяется как качество измерения, отражающее близость к нулю систематической погрешности результатов.

Важнейшей характеристикой качества измерений является их достоверность, она характеризует доверие к результатам измерения и делит их на достоверные и недостоверные, в зависимости от того, известны или неизвестны вероятностные характеристики их отклонения от истинных значений соответствующих величин.

2. ПЕРЕДАЧА РАЗМЕРА ЕДИНИЦ ОТ ЭТАЛОНОВ ОБРАЗЦОВЫМ И РАБОЧИМ СРЕДСТВАМ ИЗМЕРЕНИЙ. ПОВЕРОЧНЫЕ СХЕМЫ

Для обеспечения единства измерений необходима тождественность единиц, в которых проградуированы все средства измерений одной и той же физической величины. Это достигается путем точного воспроизведения и хранения установленных единиц физических величин и передачи их размеров применяемых средствам измерений.

Воспроизведение, хранение и передача размеров единиц осуществляются с помощью эталонов и образцовых средств измерений. Высшим звеном в метрологической цепи передачи размеров единиц измерений являются эталоны (более подробно см. Приложение 1.).

Рис.2.1.

Передача размеров единиц от эталонов рабочим мерам и измерительным приборам осуществляется посредством образцовых средств измерений.

Образцовые средства измерений представляют собой меры, измерительные приборы или измерительные преобразователи, предназначенные для поверки и градуировки по ним других средств измерений и в установленном порядке утвержденные в качестве образцовых.

В качестве образцовых средств измерений применяются меры, измерительные приборы и измерительные устройства, прошедшие

метрологическую аттестацию и признанными пригодными для использования в качестве образцовых.

На рис. 1 показана метрологическая цепь передачи размеров единиц от первичных эталонов (верхнее звено метрологической цепи) рабочим эталонам, от них - разрядным образцовым средствам измерений и далее - рабочим мерам и измерительным приборам.

Между разрядами образцовых средств измерений существует соподчиненность: образцовые средства измерений 1-го разряда поверяются, как правило, непосредственно по рабочим эталонам, образцовые средства измерений, аттестуемые в качестве образцовых 2-го и последующих разрядов, подлежат поверке по образцовым средствам измерений непосредственно предшествующих разрядов. Для разных видов измерений устанавливается, исходя из требовании практики, различное число разрядов образцовых средств измерений, устанавливаемых стандартами на поверочные схемы для данного вида средств измерений. Как видно из рис.1, отдельные рабочие меры и измерительные приборы наивысшей точности могут поверяться по рабочим эталонам: средства измерений высшей точности - по образцовым мерам и измерительным приборам 1-го разряда; высокой точности - по образцовым мерам и измерительным приборам 2-ю разряда и т.д. Все образцовые средства измерений подлежат обязательной периодической поверке в сроки, устанавливаемые правилами Госстандарта.

2.1. СВЕДЕНИЯ О ПОВЕРОЧНЫХ CXEМАХ

Поверочная схема представляет собой исходный документ, устанавливающий метрологическое соподчинение эталонов, образцовых средств измерений и порядок передачи размера единицы образцовым и рабочим средствам измерений.

Поверочные схемы подразделяются на государственные и локальные (отдельных органов государственной метрологической службы или ведомственных метрологических служб).

Поверочные схемы состоят из текстовой части и чертежа. В локальные поверочные схемы допускается не включать текстовую часть.

На чертежах поверочной схемы указываются: наименования средств измерений, диапазон значений физических величин, обозначение и оценка погрешностей, наименование методов поверки.

Методы поверки, указываемые на поверочной схеме, должны отражать специфику поверки данного вида средств измерений. Они соответствуют одному из следующих общих методов:

- непосредственному (без компараторов) сличению поверяемого средства измерений с образцовым средством измерений того же вида;

- сличению поверяемого средства измерений с образцовым

средством измерений того же вида при помощи компаратора;

- прямому измерению поверяемым измерительным прибором величины, воспроизведенной образцовой мерой;

- прямому измерению образцовым измерительным прибором величины, воспроизведенной подвергаемой поверке мерой;

- косвенным измерениям величины, воспроизведенной мерой или измеряемой прибором, подвергаемым поверке;

- независимой поверке, т.е. поверке средств измерений относительных (безразмерных) величин, не требующих передачи размеров единиц от эталонов или образцовых средств измерений, проградуированных в единицах размерных величин.

Текстовая часть состоит из вводной части и пояснений к элементам поверочной схемы.

В верхнем поле поверочной схемы указывают наименование эталонов. Наименование первичного эталона заключают в прямоугольник, обведенный двойной линией.

Ниже первичного эталона в том же поле помещают наименования вторичных эталонов и диапазон, в котором они хранят единицу измерений. Наименования вторичных эталонов заключают в прямоугольник, обведенный одной линией.

Если для данного вида измерений отсутствуют эталоны и их единицы воспроизводят косвенным путем, в верхнем поле поверочной схемы помещают наименование образцовых средств измерений, применяемых для воспроизведения данной единицы, заимствованные из поверочных средств для соответствующих средств измерений; при этом на поверочной схеме должна быть сделана ссылка на другие поверочные схемы, из которых заимствованы образцовые средства измерений.

Под полем эталонов располагают поля образцовых средств измерений 1-го и других разрядов, помещая в каждое из них наименование образцовых средств измерений соответствующего разряда. Наименования образцовых средств измерений с указанием диапазонов измерений и погрешностей поверки заключают в прямоугольники аналогично вторичным эталонам.