Учреждение образования «гродненский государственный университет имени янки купалы» С. В. Васильев, В. И. Недолугов

^ ГЛАВА 1. ОСНОВЫ МЕТРОЛОГИИ И ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 1.1. Измерение Метрология – это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства, способах достижения требуемой точно­сти. В метрологии различают три направления; теоретическое (фун­даментальное), законодательное и практическое (прикладное). В дан­ном изложении главное внимание уделим основным положениям практической метрологии. Базовыми понятиями метрологии и измерительной техники яв­ляются измерение, единство измерений, точность измерений (рис. 1). Рис. 1. Структура базовых понятий метрологии и измерительной техники Измерением называют процесс нахождения значения физичес­кой величины опытным путем с помощью специальных техничес­ких средств (средств измерений). 1.1.1. Физическая величина Физическая величина (ФВ) – это свойство, в качественном от­ношении общее для многих физических объектов, но в количе­ственном отношении – индивидуальное для каждого объекта. Все многообразие ФВ может быть классифицировано по множеству раз­личных признаков. Все ФВ подразделяются на две группы: неэлек­трические и электрические величины. Неэлектрических величин гораздо больше, чем электрических. Это: длина, объем, масса, сила, давление, скорость линейного движения или враще­ния, расход вещества, температура, относительная влажность, освещенность и множество других. К электрическим ФВ относят­ся электрический заряд, ток, напряжение, электрические сопротивление и емкость, проводимость, активная и реак­тивная мощности, электрическая энергия и др. Значение ФВ – это количественная оценка ФВ в виде конкрет­ного числа принятых для этой величины единиц. Например, зна­чение тока в электрической цепи I = 10,2 А. ^ 1.1.2. Виды средств измерений Средство измерений (СИ) – техническое средство, использу­емое при измерениях и имеющее нормированные метрологиче­ские характеристики. Все СИ подразделя­ются на пять видов: меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки, измеритель­ные системы. Мера – это СИ, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера. Например, нормальный гальванический элемент – мера ЭДС; образцовый (измерительный) резистор; образцовая катушка индуктивности и т.д. Измерительный преобразователь – СИ, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для дальнейшего преобразования, передачи, обработки, хранения, но не предназначенной для непосредственного восприятия наблюдателем. Например: измерительные трансформаторы тока и напряжения, измерительные усилители, делители напряжения, шунты, добавочные резисторы, цифровые измерительные регистраторы (логгеры) и т.п. Измерительный преобразователь не имеет отсчетного устройства, и поэтому результат преобразования не может быть непосредственно воспринят человеком. ^ Измерительный прибор – это СИ, предназначенное для вы­работки сигнала измерительной информации в форме, доступ­ной для непосредственного восприятия наблюдателем, т.е. име­ющее отсчетное устройство или индикатор. Например: электро­магнитный щитовой вольтметр, самопишущий прибор, осцил­лограф, цифровой мультиметр, инфракрасный термометр, мано­метр и др. Измерительный прибор – наиболее распространен­ный вид СИ. ^ Измерительная установка – совокупность функционально объе­диненных СИ и вспомогательных устройств, предназначенных для выработки сигналов измерительной информации в форме, удоб­ной для непосредственного восприятия наблюдателем, и располо­женная в одном месте. Например: лабораторная установка для ис­следования характеристик электродвигателей, стенд для поверки электрических счетчиков и т.п. Отличие измерительной установ­ки от измерительной системы заключается в ее локальности, компактности размещения. ^ Измерительная система – совокупность СИ и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназна­ченная для выработки сигналов измерительной информации в фор­ме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) ис­пользования в автоматических системах управления. Например, мно­гоканальный пространственно распределенный информационно-измерительный комплекс в составе системы управления произ­водством. К основным нормируемым метрологическим характеристикам (НМХ) от­носятся погрешности СИ, номинальная функция пре­образования или коэффициент преобразования измерительного преобразователя, чувствительность, диапазон измерений, вход­ное сопротивление и ряд других. ^ 1.1.3. Виды и методы измерений Получать значения ФВ (результаты измерений) можно различ­ными способами. В практике электрических измерений применя­ются разнообразные виды и методы измерений. Существуют сле­дующие виды измерений: прямые, косвенные, совокупные и совместные. Наиболее распространены прямые и косвенные из­мерения. ^ Прямые измерения – измерения, при которых искомое значе­ние измеряемой величины находят непосредственно из опытных данных. Пример прямого измерения – измерение действующего значения напряжения электрической сети с помощью цифрового мультиметра. Косвенные измерения – измерения, при которых искомое значение вели­чины находят на основании известной функциональной зависимости между этой величиной и исходными величи­нами, оцениваемыми прямыми изме­рениями. Пример косвенного измере­ния – измерение мощности Р на ак­тивной нагрузке R с помощью ампер­метра и вольтметра: Р =UI, где U – напряжение на нагрузке R, измеренное вольтметром; I – ток в нагрузке, измеренный амперметром. Совокупность приемов использова­ния физических принципов и средств измерений называют ме­тодом измерений. Различают метод непосредственной оценки и метод сравнения с мерой В методе непосредственной оценки значение измеряемой величи­ны определяется прямо (непосредственно) по отсчетному устрой­ству измерительного прибора. Например, измерение температуры цифровым термометром. ^ Метод сравнения с мерой основан на сравнении измеряемой ве­личины с мерой. Процедура сравнения может быть выполнена по-разному. Это может быть одновременное или разновременное сравнение величины с мерой. В свою очередь, метод одновременного сравнения подразделяется на дифференциаль­ный и нулевой. В дифференциальном методе измеритель (например, вольтметр) оценивает разность между измеряемой величиной ЭДС Ех и известной величиной Е0, воспроизводимой мерой. В нулевом методе разница между измеряемой Ех и известной Е0 величинами доводится до нуля с помощью изменения известной величины Е0. Факт достижения равенства Ех = Е0 определяется показаниями нулевого индикатора (НИ). Типичный пример реализации нуле­вого метода – измерение сопротивления уравновешиваемым мос­том постоянного тока. В методе разновременного сравнения сравнение измеряемой ве­личиной Ех и изменяемой известной Е0 происходит в режиме по­очередного измерения. Если показания измерителя (например, вольтметра) при измерении величины Ех равны V1 то, подклю­чив известную Е0 и изменяя ее значение до достижения равенства результатов второго и первого измерений (V2 = Vx), получим равенство Ех = Е0. ^ 1.2. Единство измерений Под единством измерений понимают такое состояние измере­ний, при котором их результаты выражены в узаконенных едини­цах и погрешности результатов измерений известны с известной или заданной вероятностью. Единство измерений позволяет сопо­ставлять результаты измерений, выполненные в разных местах, в разное время, разными специалистами, с помощью разных средств измерений. Единство измерений обеспечивается использованием общепринятой системы единиц физических величин, стандарти­зацией, метрологическим обеспечением, эталонами и образцовы­ми средствами измерений, соответствующей нормативно-техни­ческой документацией. ^ 1.2.1. Единицы физических величин Единица физической величины – это такая физическая величи­на, которой по определению присвоено числовое значение, рав­ное единице. В нашей стране, как и в большинстве других стран, действует Международная система единиц (System International – SI). Система основана на выборе нескольких основных единиц физических величин, независимых и достаточных для образования других (про­изводных) единиц физических величин. ^ Основные, дополнительные и производные единицы физических величин. Все единицы физических величин подразделяют­ся на основные (их семь), дополнительные (их две) и производ­ные (около 200 и их число растет). В табл. 1 приведены основные и дополнительные единицы физических величин. Отметим, что конкретный размер основной единицы физиче­ской величины не имеет значения. Например, в качестве основной единицы длины мог бы выступать не метр, а фут или аршин. Глав­ное, чтобы единица физической величины была общепринята, узаконена и выступала основой при формировании производных единиц. Производные единицы физических величин образуются из ос­новных, дополнительных и других производных путем раз­нообразных функциональных преобразований. Например, производная единица ом образована отношением производной едини­цы вольт к основной единице ампер. ^ Относительные и логарифмические единицы. Для оценки отно­шения или относительного изменения физических величин удоб­но использовать вспомогательные единицы: относительные и ло­гарифмические. ^ Кратные и дольные единицы. Поскольку диапазоны значений измеряемых величин сегодня очень широки, то невозможно обой­тись только исходными системными (основными, дополнитель­ными и производными) единицами физических величин. Для удоб­ства работы и записи результатов используются вспомогательные единицы физических величин – так называемые кратные (большие единицы и дольные (меньшие единицы), которые образованы путем введения приставок (коэффициентов) к исходным систем­ным единицам. Таблица 1 ^ Основные и дополнительные единицы физических величин Физическая величина Наименование единицы Обозначение русское между-народное Основные Длина метр м m Масса килограмм кг kg Время секунда с s Сила электрического тока ампер А А Термодинамическая тем­пература кельвин К К Количество вещества моль моль mol Сила света кандела кд cd Дополнительные Плоский угол радиан рад rad Телесный угол стерадиан ср sr 1.2.2. Стандартизация Всего несколько десятилетий назад в мире не было единообразия единиц физических величин. В раз­ных странах, в разных отраслях науки, техники, промышленного производства, в сельском хозяйстве, в торговле использовалось множество различных единиц для оценки одних и тех же величин. Такое национальное (территориальное), отраслевое и межот­раслевое разнообразие единиц сильно затрудняло сопоставление и использование результатов научных исследований, технических измерений и расчетов, выполненных разными специалистами, и/или в разных направлениях, и/или в разных странах; создавало чрезвычайные трудности и серьезно тормозило развитие мирового сообщества. В середине XX в. Международный комитет мер и весов под­готовил и принял новую систему единиц, которая была названа Международной системой единиц – System International (SI). В 1963 г. в СССР был введен ГОСТ 9867–61, в соответствии с которым эта система была рекомендована для использования в нашей стране. Сегодня средства измерений разрабатывают и серийно выпус­кают тысячи различных отечественных и зарубежных организаций и фирм, профессионально применяют миллионы специалистов, так или иначе использует в своей повседневной деятельности прак­тически все взрослое население Земли. В настоящее время доля затрат на измерительную технику, обслуживание и метрологическое обеспечение в промышленном производстве достигает 25...30 % стоимости основных фондов. Причем чем выше куль­тура производства на предприятии, тем выше доля таких затрат. В этих условиях чрезвычайно важно обеспечить единство изме­рений. Законодательной основой стандартизации является система Государственных стандартов (ГОСТ). В настоящее время в нашей стране действуют десятки тысяч Государственных стандартов. Они отражают важнейшие характеристики и свойства разнообразной продукции, особенности методик измерений, характеристики СИ. Основные цели и задачи стандартизации: определение единой системы требований и показателей каче­ства продукции, характеристик сырья и ресурсов; методов и средств контроля и испытаний; обеспечение единства и необходимой достоверности измере­ний в стране и мире, создание и совершенствование эталонов еди­ниц ФВ, методов и средств измерений высшей точности; развитие унификации промышленной продукции, повыше­ние уровня взаимозаменяемости, повышение эффективности экс­плуатации и ремонта, обеспечение необходимого уровня на­дежности; установление рационального многообразия видов, марок, ти­поразмеров оборудования; установление единой системы документации, единой терминологии, обозначений, методов расчетов. Под метрологическим обеспечением понимается наличие и грамотное использование эталонов, мер, аттестован­ных образцовых СИ, узаконенных методов поверки, необходи­мой нормативно-технической документации (стандартов, мето­дических указаний, инструкций), квалифицированных специа­листов-метрологов. Стандарт – это нормативно-технический документ, устанав­ливающий перечень норм, правил, требований к объекту (стан­дартизации) и утвержденный уполномоченным органом (напри­мер, Госстандартом РБ). ^ Метрологическая аттестация – это исследование СИ, выпол­няемое метрологическим органом для определения метрологичес­ких характеристик СИ и оформление соответствующего докумен­та (сертификата) с указанием полученных результатов. Поверка СИ – нахождение метрологическим органом (служ­бой) погрешностей СИ, установление соответствия значений по­грешностей классу точности СИ и определение его пригодности к применению. Поверку, как правило, осуществляют путем сравне­ния результатов преобразования испытуемого СИ с результатами преобразования образцового (более точного) СИ. Для частного, но весьма распространенного случая поверки измерительного при­бора, показания поверяемого прибора сличают с показаниями более точного прибора. Погрешность образцового СИ должна быть по крайней мере втрое меньше погрешности испытуемого СИ при одних и тех же условиях эксперимента. Процедура поверки СИ не эквивалентна процедуре калибров­ки. Калибровка – способ уменьшения систематических погрешно­стей СИ перед измерениями, т.е. коррекция (исправление) его характеристики преобразования. В общем случае при калибровке поочередно подают на вход СИ образцовую измеряемую величину нулевого значения (например, закоротив вход СИ) и затем образ­цовую измеряемую величину значением, равным верхнему преде­лу диапазона измерения (с помощью специальной меры, иногда встроенной в СИ). Зафиксировав результаты преобразования (по­казания прибора) образцовых величин, можно в дальнейшем кор­ректировать результаты преобразований в процессе выполнения измерений. Такая процедура позволяет уменьшить как аддитивную, так и мультипликативную погрешности.

Похожие:

	Республики Беларусь Учреждение образования «Гродненский государственный... С. Е. Витун, заведующий кафедрой финансов и кредита уо «Гродненский государственный университет имени Янки Купалы», кандидат экономических...		Республики Беларусь Учреждение образования «Белорусский государственный... Учреждение образования «Белорусский государственный педагогический университет имени Максима Танка»
	Учреждение образования «Гродненский государственный медицинский университет» Кафедра биохимии Рекомендовано Центральным научно-методическим советом уо “Гргму” (протокол № от 10. 06. 20010 г.)		Министерство образования и науки РФ федеральное государственное бюджетное... «Московский государственный университет технологий и управления имени К. Г. Разумовского»
	Конкурс «Лучший инновационный проект студентов и аспирантов» проводится... «Чувашский государственный университет имени И. Н. Ульянова» в рамках всероссийского фестиваля науки, организуемого Министерством...		Учреждение образования «гомельский государственный медицинский университет»... Т. М. Шаршакова, Н. П. Петрова, В. М. Дорофеев. ― Гомель: Учреждение образования «Гомельский государственный медицинский университет»,...
	Учреждение образования «гомельский государственный медицинский университет»... Т. М. Шаршакова, Н. П. Петрова, В. М. Дорофеев. ― Гомель: Учреждение образования «Гомельский государственный медицинский университет»,...		Учреждение образования «гомельский государственный технический университет... Список использованных источников
	Государственное образвательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева”		Кафедра акушерства и гинекологии Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «тамбовский государственный университет имени г....