Основные понятия и термины метрологии. Метрология Что такое метрология определение по истории кратко
Метрология - наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.
Единство измерений - состояние измерений, характеризующихся тем, что их результаты выражаются в узаконенных единицах, размеры которых в установленных пределах равны размерам единиц, воспроизводимых первичными эталонами, а погрешности результатов измерений известны и с заданной вероятностью не выходят за установленные пределы.
Физическая величина - одно из свойств физического объекта (физической системы, явления или процесса), общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них.
Истинное значение физической величины - значение физической величины, которое идеальным образом характеризует в качественном и количественном отношении соответствующую физическую величину.
Истинный размер физической величины- объективная реальность, которая не зависит от того, измеряют ее или нет и которая идеальным образом характеризует свойства объекта.
Так как истинное значение мы не знаем, то вместо него используют понятие действительного значения.
Действительное значение физической величины - значение физической величины, полученное экспериментальным путём и настолько близкое к истинному значению, что в поставленной измерительной задаче может быть использовано вместо него.
Шкала физической величины - упорядоченная совокупность значений физической величины, служащая исходной основой для измерений данной величины.
Измерение - совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с её единицей и получение значения этой величины.
Измерение- это процесс сравнения искомой величины с величиной, размер которой равен 1.
Q=n*[Q]- уравнение измерений,
Q- Измеряемая физическая величина,
[Q]- качественная характеристика ФВ,
n- Количественная характеристика, которая показывает, во сколько раз измеряемая величина отличается от той величины, размер которой принят за единицу.
[Q]- ее размер принимаем за единицу. Напр., размер детали 20 мм, мы сравниваем р-р с 1 мм.
Измерительная задача - задача, заключающаяся в определении значения физической величины путём её измерения с требуемой точностью в данных условиях измерений.
По способу получения информации измерения делятся:
1. Прямые измерения - измерения, при которых искомое значение физической величины находят непосредственно из опытных данных, и их можно выразить Q= x, где Q- искомое значение измеряемой величины, а x- значение, получаемое из опытных данных. Например, измерение длины тела с использованием ШЦ, линейки и т.д. измерение осуществляется с помощью СИ, шкалы которых проградуированы в единицах измеряемой величины.
Прямые измерения лежат в основе всех последующих измерений.
2. Косвенные измерения (косвенный метод измерений) - определение искомого значения физической величины на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной. Например, объем детали Q=V=S*h.
3. Совокупные измерения - проводимые одновременно измерения нескольких одноимённых величин, при которых искомые значения величин определяют путём решения системы уравнений, получаемых при измерениях этих величин в различных сочетаниях (число уравнений должно быть не менее числа величин). Например, определение массы тела при помощи разновесов; определение сопротивления, индуктивности при последовательных и параллельных соединениях.
4. Совместные измерения - проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноимённых величин для определения зависимости между ними. Неодноименные величины различаются по своей природе. Например, необходимо определить зависимость сопротивления от температуры, давления
Характеристики измерений:
Принцип измерений - физическое явление или эффект, положенное в основу измерений.
Метод измерений - приём или совокупность приёмов сравнения измеряемой физической величины с её единицей в соответствии с реализованным принципом измерений.
Основные методы измерений:
· Метод непосредственной оценки - метод измерений, при котором значение величины определяют непосредственно по показывающему средству измерений.
· Метод сравнения с мерой - метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Методы сравнения с мерой:
o а) Нулевой метод измерений - метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводят до нуля.
o б) Метод измерения замещением - метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают мерой с известным значением величины.
o в) Метод измерений дополнением - метод сравнения с мерой, в котором значение измеряемой величины дополняется мерой этой же величины с таким расчётом, чтобы на прибор сравнения воздействовала их сумма, равная заранее заданному значению.
o г) Дифференциальный метод измерений - метод измерений, при котором измеряемая величина сравнивается с однородной величиной, имеющей известное значение, незначительно отличающееся от значения измеряемой величины, и при котором измеряется разность между этими величинами.
Погрешность измерения
Точность измерений - одна из характеристик качества измерения, отражающая близость к нулю погрешности результата измерения.
Сходимость результатов измерений - близость друг к другу результатов измерений одной и той же величины, выполненных повторно одними и теми же средствами, одним и тем же методом в одинаковых условиях и с одинаковой тщательностью.
Воспроизводимость результатов измерений - близость результатов измерений одной и той же величины, полученных в разных местах, разными методами, разными средствами, разными операторами, в разное время, но приведённых к одним и тем же условиям измерений (температуре, влажности и т.д.) (воспроизводимость может характеризоваться средними квадратическими погрешностями сравниваемых рядов измерений).
Средство измерений - техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени.
Вид средств измерений - совокупность средств измерений, предназначенных для измерений величин определённого вида (средства измерения массы, линейный величин...).
Классификация средств измерений:
1. Мера - средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью (однозначная, многозначная меры, набор мер, магазин мер).
o Однозначная мера - мера, воспроизводящая физическую величину одного размера.
o Набор мер - комплект мер разного размера одной и той же физической величины, предназначенных для применения на практике, как в отдельности, так и в различных сочетаниях (набор КМД).
o Магазин мер - набор мер, конструктивно объединённых в единое устройство, в котором имеются приспособления для их соединения в различных комбинациях (например, магазин электрических сопротивлений).
Номинальное значение меры - значение величины, приписанное мере или партии мер при изготовлении. Действительное значение меры - значение величины, приписанное мере на основании её калибровки или поверки.
2. Измерительный прибор - средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне.
3. Измерительная установка - совокупность функционально объединённых мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенная для измерений одной или нескольких физических величин и расположенная в одном месте.
4. Измерительная система - совокупность средств измерений, образующих измерительные каналы, вычислительных и вспомогательных устройств, функционирующая как единое целое и предназначенная для автоматического (автоматизированного) получения информации о состоянии объекта путём измерительных преобразований в общем случае, множества изменяющихся во времени и распределённых в пространстве величин, характеризующих это состояние; машинной обработки результатов измерений; регистрации и индикации результатов измерений и результатов машинной обработки; преобразования этих данных в выходные сигналы системы. Измерительные системы удовлетворяют признакам средств измерений и относятся к средствам измерений.
5. Измерительный преобразователь.
6. Измерительная машина.
7. Измерительные принадлежности - вспомогательные средства, служащие для обеспечения необходимых условий для выполнения измерений с требуемой точностью (не являются средством измерения).
Метрологические характеристики средств измерений - характеристики свойств средства измерений, оказывающих влияние на результаты и погрешности измерений, предназначенные для оценки технического уровня и качества средства измерений, для определения результатов измерений и расчётной оценки характеристик инструментальной составляющей погрешности измерений.
Шкала - часть показывающего устройства средства измерений, представляющая собой упорядоченный ряд отметок вместе со связанной с ним нумерацией.
Деление шкалы - промежуток между двумя соседними отметками шкалы средства измерений.
Цена деления шкалы - разность значений величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы средства измерений.
Начальное значение шкалы - наименьшее значение измеряемой величины, которое может быть отсчитано по шкале средства измерений.
Конечное значение шкалы - наибольшее значение измеряемой величины, которое может быть отсчитано по шкале средства измерений.
Вариация показаний измерительного прибора - разность показаний прибора в одной и той же точке диапазона измерений при плавном подходе к этой точке со стороны меньших и больших значений измеряемой величины.
Диапазон показаний - область значения шкалы прибора, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы.
Диапазон измерений - область значений величины, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности средства измерений.
Динамическая характеристика средства измерений - МХ свойств средства измерений, проявляющихся в том, что на выходной сигнал этого средства измерений влияют значения входного сигнала и любые изменения этих значений во времени.
Стабильность средства измерений - качественная характеристика средства измерений, отражающая неизменность во времени его МХ.
Погрешности средств измерений и измерений:
Абсолютно точно измерить ничего нельзя. Результат измерения зависит от множества факторов:- применяемого метода измерения,
Применяемого СИ,
Условий проведения измерений,
От способа обработки результатов измерения,
Квалификации операторов ит.д.
Эти факторы по-разному сказываются на отличии результата измерения от истинного значения величины. Прежде всего: 1) существует погрешность от замены истинного значения действительным. 2) погрешность используемого метода измерения, причем каждый из методов вносит определенный вклад в погрешность. 3) Т.к. любая зависимость между измеряемой величиной и др. величинами выводится на основании некоторых допущений, то при использовании этой зависимости допускается теоретическая (методическая) погрешность. 4) Само средство измерения является источником погрешности, т.к. его несовершенство, искажение характерных признаков измеряемой величины(входного сигнала), поступающих на вход СИ в процессе выполняемых измерит. преобразований.
Погрешность средства измерений - разность между показанием средства измерений и истинным (действительным) значением измеряемой физической величины.
Погрешность измерения - отклонение результата измерения от истинного (действительного) значения измеряемой величины (истинное значение величины неизвестно, его применяют только в теоретических исследованиях. На практике используют действительное значение величины)
Погрешность средства измерений в интервале влияющей величины - погрешность средства измерений в условиях, когда одна из влияющих величин принимает любые значения в пределах рабочей области её значений, а остальные влияющие величины находятся в пределах, соответствующих нормальным условиям (ГОСТ 8.050-73 «Нормальные условия выполнения линейных и угловых измерений»). Примечание: Погрешность средства измерений в интервале влияющей величины не является дополнительной погрешностью, поскольку последняя обусловлена только отличием значения влияющей величины от нормального значения.
Систематическая погрешность - составляющая погрешности результата измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же физической величины.
Инструментальная погрешность - составляющая погрешности измерения, обусловленная погрешностью применяемого средства измерений.
Погрешность метода - составляющая систематической погрешности измерений, обусловленная несовершенством принятого метода измерений.
Субъективная погрешность - составляющая систематической погрешности измерений, обусловленная индивидуальными особенностями оператора.
Случайная погрешность - составляющая погрешности результата измерения, изменяющаяся случайным образом (по знаку и значению) при повторных измерениях, проведённых с одинаковой тщательностью, одной и той же физической величины.
Абсолютная погрешность - погрешность измерения, выраженная в единицах измеряемой величины.
Относительная погрешность - погрешность измерения, выраженная отношением абсолютной погрешности измерения к действительному или измеренному значению измеряемой величины.
Систематическая составляющая погрешности средства измерений - составляющая погрешности данного экземпляра средства измерений, при одном и том же значении измеряемой или воспроизводимой величины и неизменных условиях применения средства измерений остающаяся постоянной или изменяющаяся настолько медленно, что её изменениями за время проведения измерения можно пренебречь, или изменяющаяся по определённому закону, если условия изменяются.
Случайная составляющая погрешности средства измерений - случайная составляющая погрешности средства измерений, обусловленная только свойствами самого средства измерений; представляет собой центрированную случайную величину или центрированный случайный процесс.
Погрешность результата однократного измерения - погрешность одного измерения (не входящего в ряд измерений), оцениваемая на основании известных погрешностей средства и метода измерений в данных условиях.
Суммарная погрешность - погрешность результата измерений (состоящая из суммы случайных и неисключённых систематических погрешностей, принимаемых за случайные), вычисляемая по формуле.
Класс точности средств измерений - обобщённая характеристика данного типа средств измерений, как правило, отражающая уровень их точности, выражаемая пределами допускаемой основной и дополнительных погрешностей, а также другими характеристиками, влияющими на точность.
Классы точности средств измерений
Пределы допускаемой основной погрешности устанавливаются в последовательности, приведённой ниже.
Пределы допускаемой абсолютной основной погрешности устанавливают по формуле:
или, 
(2)
где Δ - пределы допускаемой абсолютной основной погрешности, выраженной в единицах измеряемой величины на входе (выходе) или условно в делениях шкалы;
x - значение измеряемой величины на входе (выходе) средств измерений или число делений, отсчитанных по шкале;
a, b - положительные числа, не зависящие от x.
В обоснованных случаях пределы допускаемой абсолютной погрешности устанавливают по более сложной формуле или в виде графика либо таблицы.
Пределы допускаемой приведённой основной погрешности следует устанавливать по формуле
, (3)
где γ - пределы допускаемой приведённой основной погрешности, %
Δ - пределы допускаемой абсолютной основной погрешности,устанавливаемые по формуле (1);
X N – нормирующее значение, выраженное в тех же единицах, что и Δ;
p - отвлечённое положительное число, выбираемое из ряда 1∙10 n ; 1,5∙10 n ;(1,6∙10 n);2∙10 n ;2,5∙10 n ;(3∙10 n);4∙10 n ;5∙10 n ;6∙10 n (n=1, 0, -1, -2 и т. д.) (*)
Значения, указанные в скобках, не устанавливают для вновь разрабатываемых средств измерений.
Нормирующее значение X N для средств измерений с равномерной, практически равномерной или степенной шкалой, а также для измерительных преобразователей, если нулевое значение входного (выходного) сигнала находится на краю или вне диапазона измерений, следует устанавливать равным большему из пределов измерений или равным большему из модулей пределов измерений, если нулевое значение находится внутри диапазона измерений.
Для электроизмерительных приборов с равномерной, практически равномерной или степенной шкалой и нулевой отметкой внутри диапазона измерений нормирующее значение допускается устанавливать равным сумме модулей пределов измерений.
Для средств измерений физической величины, для которых принята шкала с условным нулём, нормирующее значение устанавливают равным модулю разности пределов измерений.
Для средств измерений с установленным номинальным значением значением нормирующее значение устанавливают равным этому номинальному значению.
Пределы допускаемой относительной основной погрешности устанавливают по формуле:
если Δ установлено по формуле (1) или по формуле
, (5)
где δ - пределы допускаемой относительной основной погрешности, %
q – отвлечённое положительное число,
X k – больший (по модулю) из пределов измерения,
c и d - положительные числа, выбираемые из ряда (*).
В обоснованных случаях пределы допускаемой относительной основной погрешности устанавливают по более сложной формуле или в виде графика, либо таблицы.
Классам точности, которым соответствуют меньшие пределы допускаемых погрешностей, должны соответствовать буквы, находящиеся ближе к началу алфавита, или цифры, означающие меньшие числа.
В эксплуатационной документации на средство измерений конкретного вида, содержащей обозначение класса точности, должна быть ссылка на стандарт или технические условия, в которых установлен класс точности этого средства измерений.
Правила построения и примеры обозначения классов точности в документации и на средствах измерений приведены в таблице.
Практически равномерная шкала - шкала, длина делений которой отличается друг от друга не более, чем на 30% и имеет постоянную цену делений .
| Форма выражения погрешности | Пределы допускаемой основной погрешности | Пределы допускаемой основной погрешности, % | Обозначение класса точности | |
| в документации | на средстве измерений | |||
| Приведённая по | По формуле (3): если нормирующее значение выражено в единицах величины на входе(выходе) средств измерений если нормирующее значение принято равным длине шкалы или её части | Класс точности 1,5 Класс точности 0,5 | 1,5 0,5 | |
| Относительная по | По формуле (4) По формуле (5) |   | Класс точности 0,5 Класс точности 0,02/0,01 | 0,02/0,01 |
| Абсолютная по | По формуле (1) или (2) | Класс точности М Класс точности С | М С |
Нормальные условия выполнения линейных и угловых измерений
В зависимости от условий проведения измерений погрешности делятся на: основные и дополнительные.
Основная погрешность – погрешность, соответствующая нормальным условиям, которые устанавливаются нормативными документами на виды СИ.
Нормальные условия должны обеспечиваться при измерениях для практического исключения дополнительных погрешностей.
Нормальные значения основных влияющих величин:
1. Температура окружающей среды 20 о С по ГОСТ 9249-59.
2. Атмосферное давление 101325 Па (760 мм рт. ст.).
3. Относительная влажность окружающего воздуха 58% (нормальное парциальное давление водяных паров 1333 Па).
4. Ускорение свободного падения (ускорение силы тяжести) 9,8 м/с 2 .
5. Направление линии и плоскости измерения линейных размеров - горизонтальное (90 о от направления силы тяжести).
6. Положение плоскости измерения углов - горизонтальное (90 о от направления силы тяжести).
7. Относительная скорость движения внешней среды равна нулю.
8. Значения внешних сил, кроме силы тяжести, атмосферного давления, действия магнитного поля Земли и сил сцепления элементов измерительной системы (установки) равны нулю.
Результаты измерения для сопоставимости должны приводиться к нормальным значениям влияющих величин с погрешностью, не превышающей 35% допускаемой погрешности измерения.
Обработка результатов измерений с многократными независимыми наблюдениями:
Требуется изучить совокупность однородных объектов относительно некоторого качественного или количественного признака, характеризующего объект (качественный признак - стандартность детали, количественный - контролируемый параметр детали). Иногда проводится сплошное обследование, т. е. обследуется каждый из объектов совокупности. На практике осуществить это сложно, т. к. совокупность содержит очень большое количество объектов. Поэтому в таких случаях из совокупности случайным образом отбирается ограниченное число объектов (выборка), подвергаемая изучению. На основании полученных результатов делается вывод обо всей совокупности.
Выборочная совокупность (выборка) - совокупность случайно отобранных объектов.
Генеральная совокупность - вся совокупность объектов, из которых производится выборка.
Результат измерения - значение величины, полученное путём её измерения.
Ряд результатов - значения одной и той же величины, последовательно полученные из следующих друг за другом измерений.
Рассеяние результатов в ряду измерений - несовпадение результатов измерений одной и той же величины в ряду равноточных измерений, как правило, обусловленное действием случайных погрешностей. Оценками рассеяния результатов в ряду измерений могут быть: размах, средняя арифметическая погрешность (по модулю), средняя квадратическая погрешность (по модулю), средняя квадратическая погрешность или стандартное отклонение (среднее квадратическое отклонение, экспериментальное среднее квадратическое отклонение).
Размах результатов измерений - оценка R n рассеяния результатов единичных измерений физической величины, образующих ряд (или выборку из n измерений), вычисляемая по формуле
,
где X max и X min - наибольшее и наименьшее значения физической величины в данном ряду измерений (рассеяние обычно обусловлено проявлением случайных причин при измерении и носит вероятностных характер).
Результаты наблюдений в значительной степени сконцентрированы вокруг истинного значения измеряемой величины, и по мере приближения к нему элементы вероятности их появления возрастают. При многократных измерениях информация об истинном значении измеряемой величины и рассеивании результатов наблюдений состоит из ряда результатов отдельных наблюдений Х 1 , Х 2 , …Х n , где n – число наблюдений. Их можно рассматривать как n независимых случайных величин. В этом случае в качестве оценки измеряемой величины можно принять среднее арифметическое полученных результатов наблюдений.
.
Среднее арифметическое представляет собой лишь оценку математического ожидания (МО) результата измерения и может стать оценкой истинного значения измеряемой величины только после исключения систематических погрешностей.
Особое значение наряду с МО результатов измерений дает дисперсия – характеристика рассеивания результатов относительно МО. Дисперсия не всегда удобна в использовании, поэтому используют среднее квадратическое отклонение результатов наблюдений.
Средняя квадратическая погрешность результатов единичных измерений в ряду измерений (средняя квадратическая погрешность, СКП) - оценка S рассеяния единичных результатов измерений в ряду равноточных измерений одной и той же физической величины около среднего их значения, вычисляемого по формуле
,
где X i – результат i-го единичного измерения,
Среднее арифметическое значение измеряемой величины из n единичных результатов.
При обработке ряда результатов измерений, свободных от систематических погрешностей, СКП и СКО являются одинаковой оценкой рассеяния результатов измерений.
Средняя квадратическая погрешность результата измерений среднего арифметического - показывает отклонение выборочного среднего от математического ожидания.
,
где S – средняя квадратическая погрешность результатов единичных измерений, полученная из ряда равноточных измерений; n - число единичных измерений в ряду.
Доверительные границы погрешности результата измерений - наибольшее и наименьшее значения погрешности измерений, ограничивающие интервал, внутри которого с заданной вероятностью находится искомое (истинное) значение погрешности результата измерений. (Доверительные границы в случае нормального закона распределения вычисляются как ±t р ·S, где t р – коэффициент, зависящий от доверительной вероятности P и числа измерений n).
Границы доверительного интервала определяются как:
(
)
Поправка - значение величины, вводимое в неисправленный результат измерения с целью исключения составляющих систематической погрешности (знак поправки противоположен знаку погрешности).
Критерий отсеивания промахов для наперёд заданной доверительной вероятности (критерий Романовского) - для всех результатов X i , не являющихся выбросами (промахами) выполняются следующие условия:
,
где t p - квантиль (коэффициент).
Промах - погрешность результата отдельного измерения, входящего в ряд измерений, которая для данных условий резко отличается от остальных результатов этого ряда (промах - грубая погрешность измерений).
Предельная погрешность измерения в ряду измерений - максимальная погрешность измерения (плюс, минус), допускаемая для данной измерительной задачи ().
Нормальное распределение случайных величин возникает тогда, когда на результат измерения действует множество факторов (случайных), ни один из которых не является преобладающим.
Функция нормального распределения:
,
где X i – i-е значение случайной величины (СВ),
M[X] – математическое ожидание СВ,
σ x – СКО отдельного результата измерений.
Нормальный закон распределения.
Задачи метрологии . Метрология - это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения заданной точности
Измерения в современном обществе играют важную роль . Они служат не только основой научно-технических знаний , но имеют первостепенное значение для учета материальных ресурсов и планирования , для внутренней и внешней торговли , для обеспечения качества продукции, взаимозаменяемости узлов и деталей и совершенствования технологии , для обеспечения безопасности труда и других видов человеческой деятельности.
Метрология имеет большое значение для прогресса естественных и технических наук, так как повышение точности измерений - одно из средств совершенствования путей познания природы человеком, открытий и практического применения точных знаний.
Для обеспечения научно-технического прогресса метрология должна опережать в своем развитии другие области науки и техники , так как для каждой из них точные измерения являются одним из основных путей их совершенствования.
Основными задачами метрологии в соответствии с рекомендациями по международной стандартизации (РМГ 29-99) являются:
- установление единиц физических величин (ФВ), государственных эталонов и образцовых средств измерений (СИ).
- разработка теории , методов и средств измерений и контроля;
- обеспечение единства измерений;
- разработка методов оценки погрешностей, состояния средств измерения и контроля;
- разработка методов передачи единиц от эталонов или образцовых средств измерений рабочим средствам измерений.
Краткая история развития метрологии . Потребность в измерениях возникла давно, на заре цивилизации примерно 6000 лет до н.э
В первых документах из Месопотамии и Египта указывается, что система измерения длины базировалась на футе , равном 300 мм (при строительстве пирамид). В Риме фут равнялся 297,1734 мм; в Англии - 304, 799978 мм.
Древние вавилоняне установили год , месяц , час . Впоследствии 1/86400 часть среднего обращения Земли вокруг своей оси (суток ) получила название секунда .
В Вавилоне во II веке до н.э. время измерялось в минах . Мина равнялась промежутку времени (примерно равному двум астрономическим часам). Затем мина сократилась и превратилась в привычную для нас минуту .
Многие меры имели антропометрическое происхождение. Так, в Киевской Руси в обиходе применялся вершок , локоть , сажень .
Важнейшим метрологическим документом в России является Двинская грамота Ивана Грозного (1550 г.). В ней регламентированы правила хранения и передачи размера новой меры сыпучих веществ - осьмины (104,95 л).
Метрологической реформой Петра I в России к обращению были допущены английские меры, получившие особенно широкое распространение на флоте и кораблестроении: дюймы (2,54 см) и футы (12 дюймов).
В 1736 г. по решению Сената была образована Комиссия весов и мер.
Идея построения системы измерений на десятичной основе принадлежит французскому астроному Г. Мутону , жившему в 17 веке.
Позже было предложено принять в качестве единицы длины одну сорокамиллионную часть земного меридиана. На основе единственной единицы - метра - строилась вся система, получившая название метрической .
В России в 1835 г. Указом «О системе Российских мер и весов» были утверждены эталоны длины и массы - платиновая сажень и платиновый фунт .
В 1875 г. 17 государствами, в число которых входила и Россия, была принята метрологическая конвенция «для обеспечения единства и усовершенствования метрической системы» и было решено учредить Международное бюро мер и весов (МБМВ ), которое располагается в городе Севр (Франция).
В этом же году Россия получила платиноиридиевые эталоны массы №12 и №26 и эталоны единицы длины №11 и №28.
В 1892 г. управляющим Депо был назначен Д.И. Менделеев , которое он в 1893 г. преобразует в Главную палату мер и весов - одно из первых в мире научно - исследовательских учреждений метрологического типа .
Величие Менделеева как метролога проявилось в том, что он первым в полной мере осознал прямую зависимость между состоянием метрологии и уровнем развития науки и промышленности. «Наука начинается ... с тех пор, как начинают измерять... Точная наука немыслима без меры », - утверждал знаменитый русский ученый.
Метрическая система в России была введена в 1918 г. декретом Совета Народных Комиссаров «О введении Международной метрической системы мер и весов».
В 1956 г. была подписана межправительственная конвенцияоб учреждении Международной организации законодательной метрологии (МОЗМ ), которая разрабатывает общие вопросы законодательной метрологии (классы точности, СИ, терминологию по законодательной метрологии, сертификацию СИ).
Созданный в 1954 г. Комитет стандартов мер и измерительных приборов при Совете Министров СССР, после преобразований, становится Комитетом РФ по стандартизации - Госстандартом России .
В связи с принятием ФЗ «О техническом регулировании» в 2002 г. и реорганизации органов исполнительной власти в 2004 г. Госстандарт стал Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии (в настоящее время сокращенно Росстандарт ).
Развитие естественных наук привело к появлению все новых и новых средств измерений, а они в свою очередь стимулировали развитие наук, становясь все более мощным средством исследования .
Современная метрология - это не только наука об измерениях, но и соответствующая деятельность, предусматривающая изучение физических величин (ФВ), их воспроизведение и передачу, применение эталонов, основных принципов создания средств и методов измерения, оценку их погрешностей, метрологический контроль и надзор.
Метрологии базируется на двух основных постулатах (а и б ):
а ) истинное значение определяемой величины существует и оно постоянно ;
б ) истинное значение измеряемой величины отыскать невозможно .
Отсюда следует, что результат измерения связанс измеряемой величиной математической зависимостью (вероятностной зависимостью).
Истинным значением ФВ называют значение ФВ, которое идеальным образом характеризует в качественном и количественном отношении соответствующую физическую величину (ФВ).
Действительное значение ФВ - значение ФВ, полученное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному значению, что в поставленой измерительной задаче может быть использовано вместо него.
Для действительного значения величины всегда можно указать границы более или менее узкой зоны, в пределах которой с заданной вероятностью находится истинное значение ФВ.
Количественные и качественные проявления материального мира
Любой объект окружающего нас мира характеризуется своими специфическими свойствами.
По своей сути свойство - категория качественная . Одно и то же свойство может быть обнаружено у многих объектов или быть присущим только некоторым из них . Например, массой, температурой или плотностью обладают все материальные тела, а кристаллической структурой только некоторые из них.
Поэтому каждое из свойств физических объектов, прежде всего, должно быть обнаружено , затем описано и классифицировано, и только после этого можно приступить к его количественному изучению.
Величина - количественная характеристика размеров явлений, признаков, показателей их соотношения, степени изменения, взаимосвязи.
Величина не существует сама по себе, а имеет место лишь постольку, поскольку существует объект со свойствами, выраженными этой величиной.
Различные величины можно разделить на идеальные и реальные величины.
Идеальная величина - является обобщением (моделью) субъективных конкретных реальных понятий и в основном относятся к области математики. Их вычисляют различными способами.
Реальные величины отражаютреальные количественные свойства процессов и физических тел. Они в свою очередь делятся на физические и нефизические величины.
Физическая величина (ФВ) может быть определена как величина, свойственная некоторым материальным объектам (процессам, явлениям, материалам), изучаемым в естественных (физика, химия) и различных технических науках.
К нефизическим относят величины, присущие общественным наукам - философия, культура, экономика и др.
Для нефизических величин единица измерения не может быть введена в принципе. Их можно оценить с использованием экспертных оценок, бальной системы, набора тестов и др. Нефизические величины, при оценке которых неизбежно влияние субъективного фактора, так же, как и идеальные величины, не относятся к области метрологии.
Физические величины
Физическая величина - одно из свойств физического объекта (физической системы, явления или процесса), общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них.
Энергетические (активные) ФВ - величины, которые не требуют для измерения приложения энергии извне. Например, давление, электрическое напряжение, сила.
Вещественные (пассивные) ФВ - величины, которым необходимо приложение энергии извне. Например, масса, электрическое сопротивление.
Индивидуальность в количественном отношении понимают в том смысле, что свойство может быть для одного объекта в определенное число раз больше , чем для другого.
Качественная сторона понятия «физическая величина» определяет «род » величины, например, масса как общее свойство физических тел.
Количественная сторона - их «размер » (значение массы конкретного физического тела).
Род ФВ - качественнаяопределенность величины. Так, постоянная и переменная скорости - однородные величины, а скорость и длина - неоднородные величины.
Размер ФВ - количественная определенность, присущая конкретному материальному объекту, системе, явлению или процессу.
Значение ФВ - выражениеразмера ФВ в виде некоторого числа принятых для нее единиц измерения.
Влияющая физическая величина - ФВ, оказывающая влияние на размер измеряемой величины и (или) результат измерений.
Размерность ФВ - выражение в форме степенного одночлена, составленного из произведений символов основных ФВ в различных степенях и отражающая связь данной величины с ФВ, принятые в этой системе величин за основные с коэффициентом пропорциональности, равным 1.
dim x = L l M m T t .
Постоянная физическая величина - ФВ, размер которой по условиям измерительной задачи можно считать не изменяющимся за время, превышающее время измерения.
Размерная ФВ - ФВ, в размерности которой, хотя бы одна из основных ФВ возведена в степень, не равную 0. Например, сила F в системе LMTIθNJ есть размерная величина: dim F = LMT -2 .
При измерении выполняют сравнение неизвестного размера с известным размером, принятым за единицу.
Уравнение связи между величинами - уравнение, отражающее связь между величинами, обусловленную законами природы, в которых под буквенными символами понимают ФВ. Например, уравнение v = l / t отражает существующую зависимость постоянной скорости v от длины пути l и времени t .
Уравнение связи между величинами в конкретной измерительной задаче называют уравнением измерений.
Аддитивная ФВ - величина, разные значения которой могут быть суммированы, умножены на числовой коэффициент, разделены друг на друга.
Считается, что аддитивная (или экстенсивная) физическая величина измеряются по частям , кроме того, их можно точно воспроизводить с помощью многозначной меры, основанной на суммировании размеров отдельных мер. Например, к аддитивным физическим величинам относят длину, время, силу тока и др.
При измерении различных ФВ, характеризующих свойства веществ, объектов, явлений и процессов, некоторые свойства проявляются только качественно , другие - количественно .
Размеры ФВ как измеряются , так и оцениваются при помощи шкал, т.е. количественные или качественные проявления любого свойства отражаются множествами, которые образуют шкалы ФВ.
Практическая реализация шкал измерений осуществляется путем стандартизации единиц измерений, самих шкал и условий их однозначного применения.
Единицы физических величин
Единица измерения ФВ - ФВ фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное 1, и применяемая для количественного выражения однородных физических величин.
Числовое значение ФВ q - отвлеченное число, входящее в значение величины или отвлеченное число, выражающее отношение значения величины к принятой для нее единице данной ФВ. Например, 10 кг - значение массы, причем число 10 - это и есть числовое значение.
Система ФВ - совокупность ФВ, образованная в соответствии с принятыми принципами, когда одни величины принимают за независимые, а другие определяют как функции независимых величин.
Система единиц ФВ - совокупность основных и производных ФВ, образованная в соответствии с принципами для заданной системы ФВ.
Основная ФВ - ФВ, входящая в систему величин и условно принятая в качестве независимой от других величин этой системы.
Производная ФВ - ФВ, входящая в систему величин и определяемая через основные величины этой системы.
Международная система единиц (система СИ) в России была введена 1 января 1982г. По ГОСТ8. 417 - 81, в настоящее время действует ГОСТ8. 417 - 2002 (таблицы 1 -3).
Главный принцип создания системы - принцип когерентности , когда производные единицы могут быть получены с помощью определяющих уравнений с численными коэффициентами, равными 1.
Таблица1 - Основные величины и единицы СИ
Основные ФВ системы СИ:
- метр (metre) есть длина пути, проходимого светом в вакууме за интервал времени 1/299792458 с;
- килограмм (kilogram) равен массе международного прототипа килограмма (МБМВ, г. Севр, Франция);
- секунда (second) есть время, равное 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133;
- ампер (ampere) есть сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового сечения, расположенных в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2·10 -7 Н (ньютон);
- кельвин (kelvin) есть единица термодинамической температуры, равная 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды.
Температура тройной точки воды - это температура точки равновесия воды в твердой (лед), жидкой и газообразной (пар) фазах на 0,01 К или 0,01°С выше точки таяния льда;
- моль (mole) есть количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде - 12 массой 0,012 кг;
- кандела (candela) есть сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540·10 12 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср (ср - стерадиан).
Радиан - угол между двумя радиусами окружности, длинадуги между которыми равна этому радиусу.
Стерадиан - телесный угол с вершиной в центре сферы, вырезающий на ее поверхности площадь, равную площади квадрата со стороной, радиусу сферы.
Системная единица ФВ - единица ФВ, входящая в принятую систему единиц. Основные, производные, кратные и дольные единицы СИ являются системными, например, 1 м; 1 м/с; 1 км.
Внесистемная единица ФВ - единица ФВ, не входящая в принятую систему единиц, например, полный угол (оборот на 360°), час (3600 с), дюйм (25,4 мм) и другие.
Для выражения звукового давления, усиления, ослабления и др. применяют логарифмические ФВ
Единица логарифмической ФВ - бел (Б):
Энергетические величины 1Б = lg (Р 2 /Р 1) при Р 2 = 10Р 1 ;
Силовые величин 1Б = 2 lg(F 2 /F 1) при F 2 = .
Дольная единица от бела - децибел (д Б): 1д Б = 0,1Б.
Широкое применение получили относительные ФВ - безразмерные отношения
двух одноименных ФВ. Они выражаются в процентах и безразмерных единицах.
Одним из важнейших показателей современной цифровой измерительной техники является количество (объем) информации бит и байт (Б). 1 байт = 2 3 = 8 бит.
Таблица 2 - Единицы количества информации
Используют приставки СИ: 1Кбайт = 1024 байт, 1 Мбайт = 1024 Кбайт, 1 Гбайт = 1024 Мбайт и т.д. При этом обозначение Кбайт начинают с прописной (заглавной) буквы в отличие от строчной буквы «к» для обозначения множителя 10 3 .
Исторически сложилось такая ситуация, что с наименованием «байт» некорректно (вместо 1000 = 10 3 принято 1024 = 2 10) используют приставки СИ: 1Кбайт = 1024 байт, 1 Мбайт = 1024 Кбайт, 1 Гбайт = 1024 Мбайт и т.д. При этом обозначение Кбайт начинают с прописной (заглавной) буквы в отличие от строчной буквы «к» для обозначения множителя 10 3 .
Некоторым единицам СИ в честь ученых присвоены специальные наименования, обозначения которых записывают с прописной (заглавной) буквы, например, ампер - А, паскаль - Па, ньютон - Н. Такое написание обозначений этих единиц сохраняют в обозначении других производных единиц СИ.
Кратные и дольные единицы ФВ применяют с множителями и приставками
Кратные и дольные единицы СИ не являются когерентными.
Кратные единица ФВ - единица ФВ, в целое число раз бóльшая системной или внесистемной единицы. Например, единица мощности мегаватт (1 МВт = 10 6 Вт).
Дольная единица ФВ - единица ФВ, в целое число раз меньшая системной или внесистемной единицы. Например, единица времени 1 мкс = 10 -6 с является дольной от секунды.
Наименования и обозначения десятичных кратных и дольных единиц системы СИ образуются с помощью определенных множителей и приставок (таблица 4).
Кратные и дольные единицы от системных единиц не входят в когерентную систему единиц ФВ.
Когерентная производная единица ФВ - производная единица ФВ, связанная с другими единицами системы единиц уравнением, в котором числовой коэффициент принятровным 1 .
Когерентная система единиц ФВ - система единиц ФВ, состоящая из основных единиц и когерентных производных единиц.
Приставки «гекто», «деци», «дека», «санти» должны использоваться, когда применение других приставок неудобно.
Присоединение к наименованию единицы двух и более приставок подряд недопустимо. Например, вместо микромикрофарад следует писать пикофарад.
В связи с тем, что наименование основной единицы «килограмм» содержит приставку «кило», для образования кратных и дольных единиц массы используется дольная единица «грамм», например, миллиграмм (мг) вместо микрокилограмм (мккг).
Дольную единицу массы «грамм» применяют без присоединения приставки.
Кратные и дольные единицы ФВ пишут слитно с наименованием единицы СИ, например, килоньютон (кН), наносекунда (нс).
Некоторым единицам СИ в честь ученых присвоены специальные наименования, обозначения которых записывают с прописной (заглавной) буквы, например, ампер - А, ом - Ом, ньютон - Н.
Таблица 3 - Производные единицы СИ, имеющие специальные наименования и обозначения
| Величина | Единица | |||
| Наименование | Размер-ность | Наимено-вание | Обозначение | |
| международное | русское | |||
| Плоский угол | Радиан | rad | рад | |
| Телесный угол | Стерадиан | sr | ср | |
| Частота | Т -1 | Герц | Hz | Гц |
| Сила | LMT -2 | Ньютон | N | Н |
| Давление | L -1 MT -2 | Паскаль | Pa | Па |
| Энергия, работа, количество теплоты | L 2 MT -2 | Джоуль | J | Дж |
| Мощность | L 2 MT -3 | Ватт | W | Вт |
| Электрический заряд, количество электричества | TI | Кулон | C | Кл |
| Электрическое напряжение, потенциал, ЭДС | L 2 MT -3 I -1 | Вольт | V | В |
| Электрическая емкость | L -2 M -1 T 4 I 2 | Фарад | F | Ф |
| Электрическое сопротивление | L 2 M 1 T -3 I -2 | Ом | Ohm | Ом |
| Электрическая проводимость | L -2 M -1 T 3 I 2 | Сименс | S | См |
| Поток магнитной индукции, магнитный поток | L 2 M 1 T -2 I -1 | Вебер | Wb | Вб |
| Плотность магнитного потока, магнитная индукция | MT -2 I -1 | Тесла | T | Тл |
| Индуктивность, взаимная индукция | L 2 M 1 T -2 I -2 | Генри | H | Гн |
| Температура Цельсия | t | Градус Цельсия | °C | °C |
| Световой поток | J | Люмен | lm | лм |
| Освещенность | L -2 J | Люкс | lx | лк |
| Активность радионуклида | T -1 | Беккерель | Bq | Бк |
| Поглощенная доза ионизирующего излучения, керма | L 2 T -2 | Грей | Gy | Гр |
| Эквивалентная доза ионизирующего излучения | L 2 T -2 | Зиверт | Sv | Зв |
| Активность катализатора | NT -1 | Катал | kat | кат |
Такое написание обозначений этих единиц сохраняют в обозначении других производных единиц СИ и в других случаях.
Правила написания значений величин в единицах СИ
Значение величины записывают как произведение числа и единицы измерения, в которой число, умноженное на единицу измерения, есть численное значение величины этой единицы.
Таблица 4 - Множители и приставки десятичных кратных и дольных единиц СИ
| Десятичный множитель | Наименование приставки | Обозначение приставки | |
| международное | русское | ||
| 10 18 | экса | Е | Э |
| 10 15 | пета | Р | П |
| 10 12 | тера | Т | Т |
| 10 9 | гига | G | Г |
| 10 6 | мега | M | М |
| 10 3 | кило | k | к |
| 10 2 | гекто | h | г |
| 10 1 | дека | da | да |
| 10 -1 | деци | d | д |
| 10 -2 | санти | c | с |
| 10 -3 | милли | m | м |
| 10 -6 | микро | µ | мк |
| 10 -9 | нано | n | н |
| 10 -12 | пико | p | п |
| 10 -15 | фемто | f | ф |
| 10 -18 | атто | a | а |
Между числом и единицей измерения всегда оставляют один пробел , например сила тока I = 2 A.
Для безразмерных величин, у которых единицей измерения является «единица», единицу измерения принято опускать.
Численное значение ФВ зависит от выбора единицы. Одно и то же значение ФВ может иметь различные значения в зависимости от выбранных единиц, например, скорость автомобиля v = 50 м/с = 180 км/ч; длина волны одной из желтых натриевых полос λ = 5,896·10 -7 м = 589,6 нм.
Математические символы ФВ печатают курсивом (наклонным шрифтом), обычно это отдельные строчные или прописные буквы латинского или греческого алфавита, а с помощью нижнего индекса можно дополнить информацию о величине.
Обозначения единиц в тексте, набранным любым шрифтом, следует печатать прямым (ненаклонным) шрифтом . Они являются математическими единицами, а не аббревиатурой.
После них никогда не ставится точка (кроме случаев, когда они заканчивают предложение), они не имеют окончаний множественного числа.
Для отделения десятичной части от целой ставят точку (в документах на английском языке - относится в основном к США и Англии) или запятую (во многих европейских и языках других стран, в т.ч. Российской Федерации ).
Для облегчения прочтения чисел с большим количеством цифр эти цифры могут быть объединены в группы по три как до, так и после запятой, например, 10 000 000.
При написании обозначений производных единиц обозначения единиц, входящих в производные, разделяют точками, стоящими на средней линии , например, Н·м (ньютон - метр), Н·с/м 2 (ньютон - секунда на квадратный метр).
Наиболее употребительно выражение в виде произведения обозначений единиц, возведенных в соответствующую степень, например, м 2 ·с -1 .
При наименовании, соответствующем произведению единиц с кратными или дольными приставками, рекомендуется приставку присоединять к наименованию первой единицы , входящей в произведение. Например, 10 3 Н·м следует именовать кН·м, а не Н·км.
Понятие о контроле и испытаниях
Некоторые понятия, связанные с определением«измерение»
Принцип измерений - физическое явление или эффект, положенные в основу измерения (механический, оптико-механический, эффект Доплера для измерения скорости движения объекта).
Методика выполнения измерений (МВИ) - установленная совокупность операций и правил при измерении, выполнение которых обеспечивает получение результатов с гарантированной точностью в соответствии с принятым методом.
Обычно МВИ регламентируется НТД, например, аттестацией МВИ. По существу МВИ - алгоритм измерения.
Наблюдения при измерении - операция, проводимая при измерении и имеющая целью своевременно и правильно произвести отсчет итога наблюдения - результат всегда случаен и представляет собой одно из значений измеряемой величины, подлежащей совместной обработке для получения результата измерения.
Отсчет показаний - фиксация значения величины или числа по показывающему устройству СИ в заданный момент времени.
Например, зафиксированное в некоторый момент времени по шкалеизмерительной индикаторной головки значение, равное 4,52 мм,является отсчетом ее показания на этот момент.
Информативный параметр входного сигнала СИ - параметр входного сигнала, функционально связанный с измеряемой ФВ ииспользуемый для передачи ее значения или являющийся самойизмеряемой величиной.
Измерительная информация - информация о значениях ФВ. Зачастуюинформация об объекте измерения известна до проведения измерений, что является важнейшим фактором, обуславливающим эффективность измерения. Такую информацию обобъекте измерения называют априорной информацией .
Измерительная задача - задача, состоящая в определении значения ФВ путем ее измерения с требуемой точностьюв данных условиях измерения.
Объект измерения - тело (физическая система, процесс,явление), которые характеризуются одной или несколькими ФВ.
Например, деталь, длина и диаметр которой измеряются; технологический процесс, во время которого измеряют температуру.
Математическая модель объекта - совокупность математических символов и отношений между ними, которая адекватно описывает свойства объекта измерения.
При построении теоретических моделей неизбежно введение каких либо ограничений, допущений и гипотез.
Поэтому возникает задача оценки достоверности (адекватности) полученной модели реальному процессу или объекту. Для этого, когда это необходимо, проводят экспериментальную проверку разработанных теоретических моделей.
Алгоритм измерения - точное предписание о порядке операций, обеспечивающих измерение ФВ.
Область измерений - совокупность измерений ФВ, свойственных какой - либо области науки или техники и выделяющихся своей спецификой (механические, электрические, акустические и т. д.).
Неисправленный результат измерения - значение величины, полученное при измерении до введения в него поправок, учитываю систематические погрешности.
Исправленный результат измерения - полученное при измерении значение величины и уточненное путем введения в него необходимых поправок на действие систематических погрешностей.
Сходимость результатов измерений - близость друг к другу результатов измерений одной и той же величины, выполненных повторно одними и теми же СИ, одним и тем же методом в одинаковых условиях и с одинаковой тщательностью.
Наряду с термином «сходимость» в отечественных документах используют термин «повторяемость». Сходимость результатов измерений может быть выражена количественно через характеристики их рассеяния.
Воспроизводимость результатов измерений - близость результатов измерений одной и той же величины, полученных в разных местах, разными методами, разными средствами, разными операторами, в разное время, но проведенных к одним и тем же условиям измерений (температуре, давлению, влажности и др.).
Воспроизводимость результатов измерений может быть выражена количественно через характеристики их рассеяния.
Качество измерений - совокупность свойств, обуславливающих получение результатов измерений с требуемыми точностными характеристиками, в необходимом виде и в установленные сроки.
Достоверность измерений определяется степенью доверия к результату измерения и характеризуется вероятностью того, что истинное значение измеряемой величины находится в указанных пределах, или в указанном интервале значений величины.
Ряд результатов измерений - значения одной величины, последовательно полученные из следующих друг за другом измерений.
Среднее взвешенное значение величины - среднее значение величины из ряда неравноточных измерений, определенное с учетом веса каждого единичного измерения.
Среднее взвешенное значение еще называют средним весовым.
Вес результата измерений (вес измерений) - положительное число (р), служащее оценкой доверия к тому или иному отдельному результату измерения, входящему в ряд неравноточных измерений.
Для простоты вычислений обычно результату с большей погрешностью приписывают вес (р = 1), а остальные веса находят по отношению к данному «единичному» весу.
Измерение - нахождение значения ФВ опытным путем с помощью специальных технических средств.
Измерение включает в себя совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу ФВ, обеспечивающих нахождения соотношения измеряемой величины с ее единицей и получения значения этой величины.
Примеры: в простейшем случае, прикладывая линейку к какой - либо детали, по сути сравниваем ее размер с единицей, хранимой линейкой, и, произведя отсчет, получаем значение величины (длины, высоты); с помощью цифрового прибора сравнивают раз мер
ФВ, преобразованный в цифровое значение, с единицей, хранимой прибором, и проводят отсчет по цифровому табло прибора.
Понятие «измерение» отражает следующие его особенности (а - д ):
а ) приведенное определение понятия «измерение» удовлетворяет общему уравнению измерений, т.е. в нем учтена техническая сторона (совокупность операций), раскрыта метрологическая суть (сравнение измеряемой величины и ее единицей) и показан результат операций (получение значения величины);
б ) измерять можно характеристики свойств реально существующих объектов материального мира;
в ) процесс измерений - экспериментальный процесс (невозможно провести измерение теоретическим или расчетным путем);
г ) для проведения измерения обязательным является использование технического СИ, хранящего единицу измерения;
д ) в качестве результата измерения принимается значение ФВ (выражение ФВ в виде некоторого числа принятых для нее единиц).
От термина «измерение» происходит термин «измерять» , которым широко пользуются на практике.
Не следует применять выражение «измерение значения», так как значение величины - это уже результат измерений.
Метрологическая суть измерения сводится к основному уравнению измерения (основному уравнению метрологии):
где А - значение измеряемой ФВ;
А о - значение величины, принятой за образец;
k - отношение измеряемой величины к образцу.
Итак, любое измерение заключается в сравнении путем физического эксперимента измеряемой ФВ с некоторым ее значением, принятым за единицу сравнения, т.е. мерой .
Наиболее удобен вид основного уравнения метрологии, если выбранная за образец величина равна единице. В этом случае параметр k представляет собой числовое значение измеренной величины, зависящее от принятого метода измерения и единицы измерения.
Измерения включают в себя наблюдения.
Наблюдение при наблюдении - экспериментальная операция, выполняемая в процессе измерений, в результате которой получают одно значение из совокупности значений величины, подлежащих совместной обработке для получения результата измерений.
Следует различать термины «измерение », «контроль », «испытание » и «диагностирование »
Измерение - нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.
Измерение может быть как частью промежуточного преобразования в процессе контроля, так и окончательным этапом получения информации при испытании.
Технический контроль — это процесс определения соответствия установленным нормам или требованиям значения параметров изделия или процесса.
При контроле выявляется соответствие или несоответствие фактических данных требуемым и вырабатывается соответст-вующее логическое решение по поводу объекта контроля — «го-ден » или «негоден ».
Контроль состоит из ряда элементарных действий:
Измери-тельного преобразования контролируемой величины;
Операции воспроизведения установок контроля;
Операции сравнения;
Опре-деления результата контроля.
Перечисленные операции во многом схожи с операциями измерения, однако процедуры измерения и контроля во многом различаются :
- результатом контроля является качественная характери-стика, а измерения - количественная;
- контроль осуществляется, как правило, в пределах относи-тельно небольшого числа возможных состояний, а измерение — в широком диапазоне значений измеряемой величины;
Основной характеристикой качества процедурыконтроля является достоверность , а процедуры измерения — точность.
Испытанием называется экспериментальное определение количественных и (или) качественных характеристик свойств объекта испытаний как результата воздействий на него при его функционировании, а также примоделировании объекта или (и) воздействия.
Экспериментальное определение при испытаниях указанных характеристик производится с помо-щью измерений, контроля, оценивания и формирования соответствующих воздействий.
Основными признаками испытаний являются:
- задание требуемых (реальных или моделируемых) условий испытаний (режимов функционирования объекта испытаний и (или) совокупности воздействующих факторов);
- принятие на основе результатов испытаний решений годности или негодности его, предъявления на другие испытания и т.д.
Показателями качества испытаний является неопределенность (погрешность), повторяемость и воспроизводимость результатов.
Диагностирование - процесс распознавания состояния элементов технического объекта в данный момент времени. По результатам диагностирования можно прогнозировать состояние элементов технического объекта для продолжения его эксплуатации.
Для проведения измерений с целью контроля, диагностирования или испытания необходимо проектирование измерений , в процессе которого выполняют следующие работы:
- анализ измерительной задачи с выяснением возможных источников погрешностей;
- выбор показателей точности измерений;
- выбор числа измерений , метода и средств измерений (СИ);
- формулирование исходных данных для расчета погрешностей;
- расчет отдельных составляющих и общей погрешности ;
- расчет показателей точности и сопоставление их с выбранными показателями.
Все эти вопросы отражают в методике выполнения измерений (МВИ ).
Классификация измерений
Вид измерений - часть области измерений, имеющая свои особенности и отличающаяся однородностью измеряемых величин.
Измерения весьма разнообразны, что объясняется множеством измеряемых величин, различным характером их изменения во времени, различными требованиями к точности измерений и т.д.
В связи с этим измерения классифицируются по различным признакам (рисунок 1).
Равноточные измерения - ряд измерений какой-либо величины,выполненных несколькими одинаковыми по точности СИ в одних и техже условиях с одинаковой тщательностью.
Неравноточные измерения - ряд измерений какой-либо величины, выполненных различающими по точности СИ и (или) в разных условиях.
Однократное измерение - измерение, выполненное один раз. На практике во многих случаях выполняются однократные измерения, например, времени по часам, для производственных процессов.
Многократные измерения - измерение одного и того же размера ФВ, результат которого получен из нескольких следующих друг за другом измерений, т. е. состоящих из ряда однократных измерений.
Статические измерения - измерения ФВ, принимаемой в соответствии с конкретной измерительной задачей за неизменную напротяжении времени измерения.
Рисунок 1 - Классификация видов измерения
Динамическое измерение - измерение изменяющейся по размеру ФВ. Результатом динамического измерения является функциональная зависимость измеряемой величины от времени, т. е. когда выходной сигнал изменяется во времени в соответствии с изменением измеряемой величины.
Абсолютные измерения - измерения, основанные на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значений физических констант.
Например, измерение длины пути при равномерном прямолинейном равномерном движении L = vt, основано на измерении основной величины - времени Т и использовании физической постоянной v.
Понятие абсолютное измерение применяется как противоположное понятию относительное измерение и рассматривается как измерение величины в ее единицах. В такой трактовке это понятие находит все большее применение.
Относительное измерение - измерение отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерение изменения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.
Относительные измерения при прочих равных условиях могут быть выполнены более точно, так как в суммарную погрешность результата измерений не входит погрешность меры ФВ.
Примеры относительных измерений: измерение отношений мощностей, давлений и т.д.
Метрологические измерения - измерения, выполненные с использованием эталонов.
Технические измерения - измерения, выполненные техническими СИ.
Прямое измерение - измерение ФВ, проводимое прямым методом, при котором искомое значение ФВ получают непосредственноиз опытных данных.
Прямое измерение производится путем сравнения ФВ с мерой этой величины непосредственно или путем отсчета показаний СИ по шкале или цифровому прибору, градуированных в требуемых единицах.
Часто под прямыми измерениями понимаются измерения, при которых не производятся промежуточных преобразований.
Примеры прямых измерений: измерение длины, высоты с помощью линейки, напряжения - с помощью вольтметра, массы с помощью пружинных весов.
Уравнение прямого измерения имеет следующий вид:
Косвенное измерение - измерение, полученное на основе результатов прямых измерений других ФВ, функционально связанных с искомой величиной известной зависимостью.
Уравнение косвенных измерений имеет следующий вид:
Y = F(x 1 , x 2 …, x i,… x n),
где F - известная функция;
n - число прямого измерения ФВ;
x 1 , x, x i , x n - значения прямого измерения ФВ.
Например, определение площади, объема с помощью измерения длины, ширины, высоты; электрической мощности методом измерения силы тока и напряжения и т. д.
Совокупные измерения - одновременно проводимые измерениянескольких одноименных величин, при которых искомое значение величины, определяют путем решения системы уравнений, получаемых при измерениях различных сочетаний этих величин.
Понятно, что для определения значений искомых величин число уравнений должно быть не меньше числа величин.
Пример: значение массы отдельных гирь набора определяют по известному значению массы одной из гирь и по результатам измерений (сравнений) масс различных сочетаний гирь.
Имеются гири массами m 1 , m 2, m 3 .
Масса первой гири определится следующим образом:
Масса второй гири определится как разность массы первой и второй гирь М 1,2 и измеренной массой первой гири m 1:
Масса третьей гири определится как разность массы первой, второй и третьей гирь М 1,2,3 и измеренных масс первой и второй гирь
Часто именно этим путем добиваются повышения точности результатов измерения.
Совместные измерения - одновременно проводимые измерения нескольких неодноименных ФВ для определения зависимости между ними.
Пример 1. Построение градуировочной характеристики Y = f(x) измерительного преобразователя, когда одновременно измеряют наборы значений:
Значение ФВ определяется с помощью СИ конкретным методом.
Методы измерений
Метод измерений - прием или совокупность приемов сравнения измеряемой ФВ с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений и использования СИ.
Конкретные методы измерений определяются видом измеряемых величин, их размерами, требуемой точностью результата, быстротой процесса измерения, условиями, при которых проводят измерения, и ряд других признаков.
В принципе каждую ФВ можно измерить несколькими методами, которые могут отличаться друг от друга особенностями как технического, так и методического характера.
Метод непосредственной оценки - метод измерений, при котором значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству СИ.
Быстрота процесса измерения делает его часто незаменимым для практического
использования, хотя точность измерения обычно ограничена. Примеры: измерение длины линейкой, массы - пружинными весами, давления - манометром.
Метод сравнения с мерой - метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой (измерение зазора с помощью щупа, измерение массы на рычажных весах с помощью гирь, измерение длины с помощью концевых мер и т. д.).
В отличие от СИ непосредственной оценки, более удобной для получения оперативной информации, СИ сравнения обеспечивают бóльшую точность измерения.
Нулевой метод измерения - метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводят до нуля.
Например, измерение электрического сопротивления мостом с полным его уравновешиванием.
Дифференциальный метод - метод измерения, при котором измеряемая величина сравнивается с однородной величиной, имеющей известное значение, незначительно отличающее от значения измеряемой величины, и при которой измеряется разность между этими величинами.
Например, измерение длины сравнением с образцовой мерой на компараторе - средстве сравнения, предназначенном для сличения мер однородных величин.
Дифференциальный метод измерений наиболее эффективен тогда, когда практическое значение имеет отклонение измеряемой величины от некоторого номинального значения (отклонение действительного линейного размера от номинального, уход частоты и т. д.).
Метод измерений замещением - метод сравнения с мерой, в которой измеряемую величину замещают мерой с известным значением величины, например, взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашку весов).
Метод измерений дополнением - метод сравнения с мерой, в котором значение измеряемой величины дополняется мерой этой же величины с таким расчетом, чтобы на прибор сравнения воздействовала их сумма, равная заранее заданному значению.
Метод противопоставления - метод сравнения с мерой, в котором измеряемая величина, воспроизводимая мерой, одновременно действует на прибор сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение между этими величинами.
Например, измерение массы на равноплечих весах с помещением измеряемой массы и уравновешивающих ее гирь на двух чашках весов, сличение мер с помощью компаратора, где основой метода является выработка сигнала о наличии разности размеров сравниваемых величин.
Метод совпадений - метод сравнения с мерой, в которой разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов.
Например, измерение длины с помощью штангенциркуля с нониусом, когда наблюдают совпадение отметок на шкалах штангенциркуля и нониуса, измерение частоты вращения с помощью стробоскопа, когда положение какой либо отметки на вращающемся объекте совмещают с отметкой на невращающейся части этого объекта при определенной частоте вспышек стробоскопа.
Контактный метод измерений - метод измерений, при котором чувствительный элемент прибора (измерительные поверхности прибора или инструмента) приводятся в контакт с объектом измерения.
Например, измерение температуры рабочего тела термопарой, измерение диаметра детали штангенциркулем.
Бесконтактный метод измерений - метод измерений, основанный на том, что чувствительный элемент СИ не приводится в контакт с объектом измерения.
Например, измерения расстояния до объекта с помощью радиолокатора, измерение линейных размеров деталей с фотоэлектрическим измерительным прибором.
Средства измерений
Средство измерения (СИ) - техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу ФВ, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени.
Средства измерений многообразны. Однако для этого множества можно выделить некоторые общие признаки , присущие всем средствам измерений независимо от области применения.
По роли, выполняемой в системе обеспечения единства измерений , средства измерений делят на метрологические и рабочие .
Метрологические СИ предназначены для метрологических целей - воспроизведения единицы и (или) ее хранения или передачи размера единицы рабочим СИ.
Рабочие СИ - СИ, предназначенные для измерений, не связанных с передачей размера единицы другим СИ.
По отношению к измеряемой ФВ СИ подразделяются на основные и вспомогательные .
Основные СИ - СИ той ФВ, значение которой необходимо получить в соответствии с измерительной задачей.
Вспомогательные СИ - СИ той ФВ, влияние которой на основное СИ или объект измерений необходимо учитывать для получения результатов измерений требуемой точности.
Эти СИ применяют для контроля над поддержанием значений влияющих величин в заданных пределах.
По уровню автоматизации все СИ делят на неавтоматические (имеется в виду обычный прибор, например, рычажный микрометр), автоматические и автоматизированные .
Автоматические СИ - СИ, производящие без участия человека измерения величины и все операции, связанные с обработкой результатов измерений, их регистрацией, передачей данных или выработки управляющих сигналов.
Примеры: измерительные или контрольные автоматы, встроенные в автоматическую технологическую линию (технологическое оборудование, станок и др.), измерительные роботы, обладающие хорошими манипуляционными свойствами.
Автоматизированное СИ - СИ, производящее в автоматическом режиме одну или часть измерительных операций. Например, счетчик газа (измерение и регистрация данных с нарастающим итогом).
Мера ФВ - СИ, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения и передачи ФВ одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с заданной точностью.
Измерительный прибор - СИ, предназначенное для получениязначений измеряемой величины в установленном диапазоне и вырабатывающий сигнал измерительной информации в форме, доступной наблюдателю для непосредственного восприятия (последнее относится к показывающим приборам).
Аналоговый измерительный прибор - СИ, показания которого являются непрерывной функцией изменения измеряемой величины. Например,весы, манометр, амперметр, измерительная головка со шкальными отсчетными устройствами.
Цифровым измерительным прибором (ЦИП) называется СИ, автоматически вырабатывающее дискретные сигналы измерительной информации, показания которого представлены в цифровой форме. При измерениях с помощью ЦИП исключаются субъективные ошибки оператора.
Измерительная установка - совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенная для измерений одной или нескольких ФВ и расположенная в одном месте.
Например, поверочная установка, испытательный стенд, измерительная машина для измерения удельного сопротивления материалов.
Измерительная система (ИС) - совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, компьютеров и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта с целью измерений одной или нескольких ФВ, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в разных целях. Измерительная система может содержать десятки измерительных каналов.
В зависимости от назначения ИС разделяют на измерительные информационные , измерительные контролирующие, измерительные управляющие и пр.
Различают также достаточно условно информационно-измерительные системы (ИИС) и компьютерно - измерительные системы (КИС).
Измерительную систему, перестраиваемую в зависимости от изменения измерительной задачи, называют гибкой измерительной системой (ГИС).
Измерительный - вычислительный комплекс (ИВК ) - функционально объединенная совокупность СИ, компьютеров и вспомогательных устройств, предназначенных для выполнения в составе ИС конкретной измерительной функции.
Компьютерно - измерительная система (КИС), иначе виртуальный прибор, состоит из стандартного или специализированного компьютера со встроенной платой (модулем) сбора данных.
Измерительный преобразователь (ИП) - техническое средствос нормативными
метрологическими характеристиками, служащее дляпреобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации и передачи. ИП входит в состав какого-либо измерительного прибора (измерительной установки, ИС и др.), или применяется вместе с каким - либо СИ.
Примеры ИП. Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) или аналого-цифровой преобразователь (АЦП).
Передающий преобразователь - измерительный преобразователь, служащий для
дистанционной передачи сигнала измерительной информации к другим устройствам или
системам (термопара в термоэлектрическом термометре).
Первичный измерительный преобразователь или просто первичный преобразователь (ПП) - измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая ФВ;
Что такое метрология и зачем она нужна человечеству?
Метрология - наука об измерениях
Метрология - наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.
Это наука, которая занимается установлением единиц измерений различных физических величин и воспроизведением их эталонов, разработкой методов измерений физических величин, а также анализом точности измерений и исследованием и устранением причин, вызывающим погрешности в измерениях.
В практической жизни человек всюду имеет дело с измерениями. На каждом шагу встречаются и известны с незапамятных времен измерения таких величин, как длина, объем, вес, время и др. Конечно, методы и средства измерений этих величин в древности были примитивными и несовершенными, тем не менее, без них невозможно представить эволюцию человека разумного.
Велико значение измерений в современном обществе. Они служат не только основой научно-технических знаний, но имеют первостепенное значение для учета материальных ресурсов и планирования, для внутренней и внешней торговли, для обеспечения качества продукции, взаимозаменяемости узлов и деталей и совершенствования технологии, для обеспечения безопасности труда и других видов человеческой деятельности.
Метрология имеет большое значение для прогресса естественных и технических наук, так как повышение точности измерений - одно из средств совершенствования путей познания природы человеком, открытий и практического применения точных знаний.
Для обеспечения научно-технического прогресса метрология должна опережать в своем развитии другие области науки и техники, ибо для каждой из них точные измерения являются одним из основных путей их совершенствования.
Задачи науки метрологии
Поскольку метрология изучает методы и средства измерения физических величин с максимальной степенью точности, ее задачи и цели вытекают из самого определения науки. Тем не менее, учитывая колоссальную важность метрологии, как науки, для научно-технического прогресса и эволюции человеческого общества, все термины и определения метрологии, включая ее цели и задачи, стандартизированы посредством нормативных документов - ГОСТ
ов.
Итак, основными задачами метрологии (по ГОСТ 16263-70)
являются:
· установление единиц физических величин, государственных эталонов и образцовых средств измерений;
· разработка теории, методов и средств измерений и контроля;
· обеспечение единства измерений и единообразных средств измерений;
· разработка методов оценки погрешностей, состояния средств измерения и контроля;
· разработка методов передачи размеров единиц от эталонов или образцовых средств измерений рабочим средствам измерений.
ЛЕКЦИЯ № 1. Метрология
Предмет и задачи метрологии
С течением мировой истории человеку приходилось измерять различные вещи, взвешивать продукты, отсчитывать время. Для этой цели понадобилось создать целую систему различных измерений, необходимую для вычисления объема, веса, длины, времени и т. п. Данные подобных измерений помогают освоить количественную характеристику окружающего мира. Крайне важна роль подобных измерений при развитии цивилизации. Сегодня никакая отрасль народного хозяйства не могла бы правильно и продуктивно функционировать без применения своей системы измерений. Ведь именно с помощью этих измерений происходит формирование и управление различными технологическими процессами, а также контролирование качества выпускаемой продукции. Подобные измерения нужны для самых различных потребностей в процессе развития научно-технического прогресса: и для учета материальных ресурсов и планирования, и для нужд внутренней и внешней торговли, и для проверки качества выпускаемой продукции, и для повышения уровня защиты труда любого работающего человека. Несмотря на многообразие природных явлений и продуктов материального мира, для их измерения существует такая же многообразная система измерений, основанных на очень существенном моменте – сравнении полученной величины с другой, ей подобной, которая однажды была принята за единицу. При таком подходе физическая величина расценивается как некоторое число принятых для нее единиц, или, говоря иначе, таким образом получается ее значение. Существует наука, систематизирующая и изучающая подобные единицы измерения, – метрология. Как правило, под метрологией подразумевается наука об измерениях, о существующих средствах и методах, помогающих соблюсти принцип их единства, а также о способах достижения требуемой точности.
Происхождение самого термина «метрология» возводя! к двум греческим словам: metron, что переводится как «мера», и logos – «учение». Бурное развитие метрологии пришлось на конец XX в. Оно неразрывно связано с развитием новых технологий. До этого метрология была лишь описательным научным предметом. Следует отметить и особое участие в создании этой дисциплины Д. И. Менделеева, которому подевалось вплотную заниматься метрологией с 1892 по 1907 гг… когда он руководил этой отраслью российской науки. Таким образом, можно сказать, что метрология изучает:
1) методы и средства для учета продукции по следующим показателям: длине, массе, объему, расходу и мощности;
2) измерения физических величин и технических параметров, а также свойств и состава веществ;
3) измерения для контроля и регулирования технологических процессов.
Выделяют несколько основных направлений метрологии:
1) общая теория измерений;
2) системы единиц физических величин;
3) методы и средства измерений;
4) методы определения точности измерений;
5) основы обеспечения единства измерений, а также основы единообразия средств измерения;
6) эталоны и образцовые средства измерений;
7) методы передачи размеров единиц от образцов средств измерения и от эталонов рабочим средствам измерения. Важным понятием в науке метрологии является единство измерений, под которым подразумевают такие измерения при которых итоговые данные получаются в узаконенных единицах, в то время как погрешности данных измерений получены с заданной вероятностью. Необходимость существования единства измерений вызвана возможностью сопоставления результатов различных измерений, которые были проведены в различных районах, в различные временные отрезки, а также с применением разнообразных методов и средств измерения.
Следует различать также объекты метрологии:
1) единицы измерения величин;
2) средства измерений;
3) методики, используемые для выполнения измерений и т. д.
Метрология включает в себя: во-первых, общие правила, нормы и требования, во-вторых, вопросы, нуждающиеся в государственном регламентировании и контроле. И здесь речь идет о:
1) физических величинах, их единицах, а также об их измерениях;
2) принципах и методах измерений и о средствах измерительной техники;
3) погрешностях средств измерений, методах и средствах обработки результатов измерений с целью исключения погрешностей;
4) обеспечении единства измерений, эталонах, образцах;
5) государственной метрологической службе;
6) методике поверочных схем;
7) рабочих средствах измерений.
В связи с этим задачами метрологии становятся: усовершенствование эталонов, разработка новых методов точных измерений, обеспечение единства и необходимой точности измерений.
Термины
Очень важным фактором правильного понимания дисциплины и науки метрология служат использующиеся в ней термины и понятия. Надо сказать, что, их правильная формулировка и толкование имеют первостепенное значение, так как восприятие каждого человека индивидуально и многие, даже общепринятые термины, понятия и определения он трактует по-своему, используя свой жизненный опыт и следуя своим инстинктам, своему жизненному кредо. А для метрологии очень важно толковать термины однозначно для всех, поскольку такой подход дает возможность оптимально и целиком понимать какое-либо жизненное явление. Для этого был создан специальный стандарт на терминологию, утвержденный на государственном уровне. Поскольку Россия на сегодняшний момент воспринимает себя частью мировой экономической системы, постоянно идет работа над унификацией терминов и понятий, создается международный стандарт. Это, безусловно, помогает облегчить процесс взаимовыгодного сотрудничества с высокоразвитыми зарубежными странами и партнерами. Итак, в метро логии используются следующие величины и их определения:
1) физическая величина, представляющая собой общее свойство в отношении качества большого количества физических объектов, но индивидуальное для каждого в смысле количественного выражения;
2) единица физической величины, что подразумевает под собой физическую величину, которой по условию присвоено числовое значение, равное единице;
3) измерение физических величин, под которым имеется в виду количественная и качественная оценка физического объекта с помощью средств измерения;
4) средство измерения, представляющее собой техническое средство, имеющее нормированные метрологические характеристики. К ним относятся измерительный прибор, мера, измерительная система, измерительный преобразователь, совокупность измерительных систем;
5) измерительный прибор представляет собой средство измерений, вырабатывающее информационный сигнал в такой форме, которая была бы понятна для непосредственного восприятия наблюдателем;
6) мера – также средство измерений, воспроизводящее физическую величину заданного размера. Например, если прибор аттестован как средство измерений, его шкала с оцифрованными отметками является мерой;
7) измерительная система, воспринимаемая как совокупность средств измерений, которые соединяются друг с другом посредством каналов передачи информации для выполнения одной или нескольких функций;
8) измерительный преобразователь – также средство измерений, которое производит информационный измерительный сигнал в форме, удобной для хранения, просмотра и трансляции по каналам связи, но не доступной для непосредственного восприятия;
9) принцип измерений как совокупность физических явлений, на которых базируются измерения;
10) метод измерений как совокупность приемов и принципов использования технических средств измерений;
11) методика измерений как совокупность методов и правил, разработанных метрологическими научно-исследовательскими организациями, утвержденных в законодательном порядке;
12) погрешность измерений, представляющую собой незначительное различие между истинными значениями физической величины и значениями, полученными в результате измерения;
13) основная единица измерения, понимаемая как единица измерения, имеющая эталон, который официально утвержден;
14) производная единица как единица измерения, связанная с основными единицами на основе математических моделей через энергетические соотношения, не имеющая эталона;
15) эталон, который имеет предназначение для хранения и воспроизведения единицы физической величины, для трансляции ее габаритных параметров нижестоящим по поверочной схеме средствам измерения. Существует понятие «первичный эталон», под которым понимается средство измерений, обладающее наивысшей в стране точностью. Есть понятие «эталон сравнений», трактуемое как средство для связи эталонов межгосударственных служб. И есть понятие «эталон-копия» как средство измерений для передачи размеров единиц образцовым средствам;
16) образцовое средство, под которым понимается средство измерений, предназначенное только для трансляции габаритов единиц рабочим средствам измерений;
17) рабочее средство, понимаемое как «средство измерений для оценки физического явления»;
18) точность измерений, трактуемая как числовое значение физической величины, обратное погрешности, определяет классификацию образцовых средств измерений. По показателю точности измерений средства измерения можно разделить на: наивысшие, высокие, средние, низкие.
Классификация измерений
Классификация средств измерений может проводиться по следующим критериям.
1. По характеристике точности измерения делятся на равноточные и неравноточные.
Равноточными измерениями физической величины называется ряд измерений некоторой величины, сделанных при помощи средств измерений (СИ), обладающих одинаковой точностью, в идентичных исходных условиях.
Неравноточными измерениями физической величины называется ряд измерений некоторой величины, сделанных при помощи средств измерения, обладающих разной точностью, и (или) в различных исходных условиях.
2. По количеству измерений измерения делятся на однократные и многократные.
Однократное измерение – это измерение одной величины, сделанное один раз. Однократные измерения на практике имеют большую погрешность, в связи с этим рекомендуется для уменьшения погрешности выполнять минимум три раза измерения такого типа, а в качестве результата брать их среднее арифметическое.
Многократные измерения – это измерение одной или нескольких величин, выполненное четыре и более раз. Многократное измерение представляет собой ряд однократных измерений. Минимальное число измерений, при котором измерение может считаться многократным, – четыре. Результатом многократного измерения является среднее арифметическое результатов всех проведенных измерений. При многократных измерениях снижается погрешность.
3. По типу изменения величины измерения делятся на статические и динамические.
Статические измерения – это измерения постоянной, неизменной физической величины. Примером такой постоянной во времени физической величины может послужить длина земельного участка.
Динамические измерения – это измерения изменяющейся, непостоянной физической величины.
4. По предназначению измерения делятся на технические и метрологические.
Технические измерения – это измерения, выполняемые техническими средствами измерений.
Метрологические измерения – это измерения, выполняемые с использованием эталонов.
5. По способу представления результата измерения делятся на абсолютные и относительные.
Абсолютные измерения – это измерения, которые выполняются посредством прямого, непосредственного измерения основной величины и (или) применения физической константы.
Относительные измерения – это измерения, при которых вычисляется отношение однородных величин, причем числитель является сравниваемой величиной, а знаменатель – базой сравнения (единицей). Результат измерения будет зависеть от того, какая величина принимается за базу сравнения.
6. По методам получения результатов измерения делятся на прямые, косвенные, совокупные и совместные.
Прямые измерения – это измерения, выполняемые при помощи мер, т. е. измеряемая величина сопоставляется непосредственно с ее мерой. Примером прямых измерений является измерение величины угла (мера – транспортир).
Косвенные измерения – это измерения, при которых значение измеряемой величины вычисляется при помощи значений, полученных посредством прямых измерений, и некоторой известной зависимости между данными значениями и измеряемой величиной.
Совокупные измерения – это измерения, результатом которых является решение некоторой системы уравнений, которая составлена из уравнений, полученных вследствие измерения возможных сочетаний измеряемых величин.
Совместные измерения – это измерения, в ходе которых измеряется минимум две неоднородные физические величины с целью установления существующей между ними зависимости.
Единицы измерения
В 1960 г. на XI Генеральной конференции по мерам и весам была утверждена Международная система единиц (СИ).
В основе Международной системы единиц лежат семь единиц, охватывающих следующие области науки: механику, электричество, теплоту, оптику, молекулярную физику, термодинамику и химию:
1) единица длины (механика) – метр;
2) единица массы (механика) – килограмм;
3) единица времени (механика) – секунда;
4) единица силы электрического тока (электричество) – ампер;
5) единица термодинамической температуры (теплота) – кельвин;
6) единица силы света (оптика) – кандела;
7) единица количества вещества (молекулярная физика, термодинамика и химия) – моль.
В Международной системе единиц есть дополнительные единицы:
1) единица измерения плоского угла – радиан;
2) единица измерения телесного угла – стерадиан. Таким образом, посредством принятия Международной системы единиц были упорядочены и приведены к одному виду единицы измерения физических величин во всех областях науки и техники, так как все остальные единицы выражаются через семь основных и две дополнительных единицы СИ. Например, количество электричества выражается через секунды и амперы.
Погрешность измерений
В практике использования измерений очень важным показателем становится их точность, которая представляет собой ту степень близости итогов измерения к некоторому действительному значению, которая используется для качественного сравнения измерительных операций. А в качестве количественной оценки, как правило, используется погрешность измерений. Причем чем погрешность меньше, тем считается выше точность.
Согласно закону теории погрешностей, если необходимо повысить точность результата (при исключенной систематической погрешности) в 2 раза, то число измерений необходимо увеличить в 4 раза; если требуется увеличить точность в 3 раза, то число измерений увеличивают в 9 раз и т. д.
Процесс оценки погрешности измерений считается одним из важнейших мероприятий в вопросе обеспечения единства измерений. Естественно, что факторов, оказывающих влияние на точность измерения, существует огромное множество. Следовательно, любая классификация погрешностей измерения достаточно условна, поскольку нередко в зависимости от условий измерительного процесса погрешности могут проявляться в различных группах. При этом согласно принципу зависимости от формы данные выражения погрешности измерения могут быть: абсолютными, относительными и приведенными.
Кроме того, по признаку зависимости от характера проявления, причин возникновения и возможностей устранения погрешности измерений могут быть составляющими При этом различают следующие составляющие погрешности: систематические и случайные.
Систематическая составляющая остается постоянной или меняется при следующих измерениях того же самого параметра.
Случайная составляющая изменяется при повторных изменениях того же самого параметра случайным образом. Обе составляющие погрешности измерения (и случайная, и систематическая) проявляются одновременно. Причем значение случайной погрешности не известно заранее, поскольку оно может возникать из-за целого ряда неуточненных факторов Данный вид погрешности нельзя исключить полностью, однако их влияние можно несколько уменьшить, обрабатывая результаты измерений.
Систематическая погрешность, и в этом ее особенность, если сравнивать ее со случайной погрешностью, которая выявляется вне зависимости от своих источников, рассматривается по составляющим в связи с источниками возникновения.
Составляющие погрешности могут также делиться на: методическую, инструментальную и субъективную. Субъективные систематические погрешности связаны с индивидуальными особенностями оператора. Такая погрешность может возникать из-за ошибок в отсчете показаний или неопытности оператора. В основном же систематические погрешности возникают из-за методической и инструментальной составляющих. Методическая составляющая погрешности определяется несовершенством метода измерения, приемами использования СИ, некорректностью расчетных формул и округления результатов. Инструментальная составляющая появляется из-за собственной погрешности СИ, определяемой классом точности, влиянием СИ на итог и разрешающей способности СИ. Есть также такое понятие, как «грубые погрешности или промахи», которые могут появляться из-за ошибочных действий оператора, неисправности СИ или непредвиденных изменений ситуации измерений. Такие погрешности, как правило, обнаруживаются в процессе рассмотрения результатов измерений с помощью специальных критериев. Важным элементом данной классификации является профилактика погрешности, понимаемая как наиболее рациональный способ снижения погрешности, заключается в устранении влияния какого-либо фактора.
Виды погрешностей
Выделяют следующие виды погрешностей:
1) абсолютная погрешность;
2) относительна погрешность;
3) приведенная погрешность;
4) основная погрешность;
5) дополнительная погрешность;
6) систематическая погрешность;
7) случайная погрешность;
8) инструментальная погрешность;
9) методическая погрешность;
10) личная погрешность;
11) статическая погрешность;
12) динамическая погрешность.
Погрешности измерений классифицируются по следующим признакам.
По способу математического выражения погрешности делятся на абсолютные погрешности и относительные погрешности.
По взаимодействию изменений во времени и входной величины погрешности делятся на статические погрешности и динамические погрешности.
По характеру появления погрешности делятся на систематические погрешности и случайные погрешности.
Абсолютная погрешность – это значение, вычисляемое как разность между значением величины, полученным в процессе измерений, и настоящим (действительным) значением данной величины.
Абсолютная погрешность вычисляется по следующей формуле:
Q n =Q n ?Q 0 ,
где AQ n – абсолютная погрешность;
Q n – значение некой величины, полученное в процессе измерения;
Q 0 – значение той же самой величины, принятое за базу сравнения (настоящее значение).
Абсолютная погрешность меры – это значение, вычисляемое как разность между числом, являющимся номинальным значением меры, и настоящим (действительным) значением воспроизводимой мерой величины.
Относительная погрешность – это число, отражающее степень точности измерения.
Относительная погрешность вычисляется по следующей формуле:
где?Q – абсолютная погрешность;
Q 0 – настоящее (действительное) значение измеряемой величины.
Относительная погрешность выражается в процентах.
Приведенная погрешность – это значение, вычисляемое как отношение значения абсолютной погрешности к нормирующему значению.
Нормирующее значение определяется следующим образом:
1) для средств измерений, для которых утверждено номинальное значение, это номинальное значение принимается за нормирующее значение;
2) для средств измерений, у которых нулевое значение располагается на краю шкалы измерения или вне шкалы, нормирующее значение принимается равным конечному значению из диапазона измерений. Исключением являются средства измерений с существенно неравномерной шкалой измерения;
3) для средств измерений, у которых нулевая отметка располагается внутри диапазона измерений, нормирующее значение принимается равным сумме конечных численных значений диапазона измерений;
4) для средств измерения (измерительных приборов), у которых шкала неравномерна, нормирующее значение принимается равным целой длине шкалы измерения или длине той ее части, которая соответствует диапазону измерения. Абсолютная погрешность тогда выражается в единицах длины.
Погрешность измерения включает в себя инструментальную погрешность, методическую погрешность и погрешность отсчитывания. Причем погрешность отсчитывания возникает по причине неточности определения долей деления шкалы измерения.
Инструментальная погрешность – это погрешность, возникающая из-за допущенных в процессе изготовления функциональных частей средств измерения ошибок.
Методическая погрешность – это погрешность, возникающая по следующим причинам:
1) неточность построения модели физического процесса, на котором базируется средство измерения;
2) неверное применение средств измерений.
Субъективная погрешность – это погрешность возникающая из-за низкой степени квалификации оператора средства измерений, а также из-за погрешности зрительных органов человека, т. е. причиной возникновения субъективной погрешности является человеческий фактор.
Погрешности по взаимодействию изменений во времени и входной величины делятся на статические и динамические погрешности.
Статическая погрешность – это погрешность, которая возникает в процессе измерения постоянной (не изменяющейся во времени) величины.
Динамическая погрешность – это погрешность, численное значение которой вычисляется как разность между погрешностью, возникающей при измерении непостоянной (переменной во времени) величины, и статической погрешностью (погрешностью значения измеряемой величины в определенный момент времени).
По характеру зависимости погрешности от влияющих величин погрешности делятся на основные и дополнительные.
Основная погрешность – это погрешность, полученная в нормальных условиях эксплуатации средства измерений (при нормальных значениях влияющих величин).
Дополнительная погрешность – это погрешность, которая возникает в условиях несоответствия значений влияющих величин их нормальным значениям, или если влияющая величина переходит границы области нормальных значений.
Нормальные условия – это условия, в которых все значения влияющих величин являются нормальными либо не выходят за границы области нормальных значений.
Рабочие условия – это условия, в которых изменение влияющих величин имеет более широкий диапазон (значения влияющих не выходят за границы рабочей области значений).
Рабочая область значений влияющей величины – это область значений, в которой проводится нормирование значений дополнительной погрешности.
По характеру зависимости погрешности от входной величины погрешности делятся на аддитивные и мультипликативные.
Аддитивная погрешность – это погрешность, возникающая по причине суммирования численных значений и не зависящая от значения измеряемой величины, взятого по модулю (абсолютного).
Мультипликативная погрешность – это погрешность, изменяющаяся вместе с изменением значений величины, подвергающейся измерениям.
Надо заметить, что значение абсолютной аддитивной погрешности не связано со значением измеряемой величины и чувствительностью средства измерений. Абсолютные аддитивные погрешности неизменны на всем диапазоне измерений.
Значение абсолютной аддитивной погрешности определяет минимальное значение величины, которое может быть измерено средством измерений.
Значения мультипликативных погрешностей изменяются пропорционально изменениям значений измеряемой величины. Значения мультипликативных погрешностей также пропорциональны чувствительности средства измерений Мультипликативная погрешность возникает из-за воздействия влияющих величин на параметрические характеристики элементов прибора.
Погрешности, которые могут возникнуть в процессе измерений, классифицируют по характеру появления. Выделяют:
1) систематические погрешности;
2) случайные погрешности.
В процессе измерения могут также появиться грубые погрешности и промахи.
Систематическая погрешность – это составная часть всей погрешности результата измерения, не изменяющаяся или изменяющаяся закономерно при многократных измерениях одной и той же величины. Обычно систематическую погрешность пытаются исключить возможными способами (например, применением методов измерения, снижающих вероятность ее возникновения), если же систематическую погрешность невозможно исключить, то ее просчитывают до начала измерений и в результат измерения вносятся соответствующие поправки. В процессе нормирования систематической погрешности определяются границы ее допустимых значений. Систематическая погрешность определяет правильность измерений средств измерения (метрологическое свойство).
Систематические погрешности в ряде случаев можно определить экспериментальным путем. Результат измерений тогда можно уточнить посредством введения поправки.
Способы исключения систематических погрешностей делятся на четыре вида:
1) ликвидация причин и источников погрешностей до начала проведения измерений;
2) устранение погрешностей в процессе уже начатого измерения способами замещения, компенсации погрешностей по знаку, противопоставлениям, симметричных наблюдений;
3) корректировка результатов измерения посредством внесения поправки (устранение погрешности путем вычислений);
4) определение пределов систематической погрешности в случае, если ее нельзя устранить.
Ликвидация причин и источников погрешностей до начала проведения измерений. Данный способ является самым оптимальным вариантом, так как его использование упрощает дальнейший ход измерений (нет необходимости исключать погрешности в процессе уже начатого измерения или вносить поправки в полученный результат).
Для устранения систематических погрешностей в процессе уже начатого измерения применяются различные способы
Способ введения поправок базируется на знании систематической погрешности и действующих закономерностей ее изменения. При использовании данного способа в результат измерения, полученный с систематическими погрешностями, вносят поправки, по величине равные этим погрешностям, но обратные по знаку.
Способ замещения состоит в том, что измеряемая величина заменяется мерой, помещенной в те же самые условия, в которых находился объект измерения. Способ замещения применяется при измерении следующих электрических параметров: сопротивления, емкости и индуктивности.
Способ компенсации погрешности по знаку состоит в том, что измерения выполняются два раза таким образом, чтобы погрешность, неизвестная по величине, включалась в результаты измерений с противоположным знаком.
Способ противопоставления похож на способ компенсации по знаку. Данный способ состоит в том, что измерения выполняют два раза таким образом, чтобы источник погрешности при первом измерении противоположным образом действовал на результат второго измерения.
Случайная погрешность – это составная часть погрешности результата измерения, изменяющаяся случайно, незакономерно при проведении повторных измерений одной и той же величины. Появление случайной погрешности нельзя предвидеть и предугадать. Случайную погрешность невозможно полностью устранить, она всегда в некоторой степени искажает конечные результаты измерений. Но можно сделать результат измерения более точным за счет проведения повторных измерений. Причиной случайной погрешности может стать, например, случайное изменение внешних факторов, воздействующих на процесс измерения. Случайная погрешность при проведении многократных измерений с достаточно большой степенью точности приводит к рассеянию результатов.
Промахи и грубые погрешности – это погрешности, намного превышающие предполагаемые в данных условиях проведения измерений систематические и случайные погрешности. Промахи и грубые погрешности могут появляться из-за грубых ошибок в процессе проведения измерения, технической неисправности средства измерения, неожиданного изменения внешних условий.
Выбор средств измерений
При выборе средств измерений в первую очередь должно учитываться допустимое значение погрешности для данного измерения, установленное в соответствующих нормативных документах.
В случае, если допустимая погрешность не предусмотрена в соответствующих нормативных документах, предельно допустимая погрешность измерения должна быть регламентирована в технической документации на изделие.
При выборе средств измерения должны также учитываться:
1) допустимые отклонения;
2) методы проведения измерений и способы контроля. Главным критерием выбора средств измерений является соответствие средств измерения требованиям достоверности измерений, получения настоящих (действительных) значений измеряемых величин с заданной точностью при минимальных временных и материальных затратах.
Для оптимального выбора средств измерений необходимо обладать следующими исходными данными:
1) номинальным значением измеряемой величины;
2) величиной разности между максимальным и минимальным значением измеряемой величины, регламентируемой в нормативной документации;
3) сведениями об условиях проведения измерений.
Если необходимо выбрать измерительную систему, руководствуясь критерием точности, то ее погрешность должна вычисляться как сумма погрешностей всех элементов системы (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей), в соответствии с установленным для каждой системы законом.
Предварительный выбор средств измерений производится в соответствии с критерием точности, а при окончательном выборе средств измерений должны учитываться следующие требования:
1) к рабочей области значений величин, оказывающих влияние на процесс измерения;
2) к габаритам средства измерений;
3) к массе средства измерений;
4) к конструкции средства измерений.
При выборе средств измерений необходимо учитывать предпочтительность стандартизированных средств измерений.
19. Методы определения и учета погрешностей
Методы определения и учета погрешностей измерений используются для того, чтобы:
1) на основании результатов измерений получить настоящее (действительное) значение измеряемой величины;
2) определить точность полученных результатов, т. е. степень их соответствия настоящему (действительному) значению.
В процессе определения и учета погрешностей оцениваются:
1) математическое ожидание;
2) среднеквадратическое отклонение.
Точечная оценка параметра (математического ожидания или среднеквадратического отклонения) – это оценка параметра, которая может быть выражена одним числом. Точечная оценка является функцией от экспериментальных данных и, следовательно, сама должна быть случайной величиной, распределенной по закону, зависящему от закона распределения для значений исходной случайной величины Закон распределения значений точечной оценки будет зависеть также от оцениваемого параметра и от числа испытаний (экспериментов).
Точечная оценка бывает следующих видов:
1) несмещенная точечная оценка;
2) эффективная точечная оценка;
3) состоятельная точечная оценка.
Несмещенная точечная оценка – это оценка параметра погрешности, математическое ожидание которой равно этому параметру.
Эффективная точечная о
Метрология (от греч. «Metron» - мера, измерительный инструмент и «Logos» - учение) - наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Предметом метрологии является извлечение количественной информации о свойствах объектов с заданной точностью и достоверностью. Средством метрологии является совокупность измерений и метрологических стандартов, обеспечивающих требуемую точность.
Метрология состоит из трех разделов: теоретическая, прикладная, законодательная.
Теоретическая метрология занимается фундаментальными вопросами теории измерений, разработкой новых методов измерений, созданием систем единиц измерений и физических постоянных.
Прикладная метрология изучает вопросы практического применения результатов разработок теоретической и законодательной метрологии в различных сферах деятельности.
Законодательная метрология устанавливает обязательные правовые, технические и юридические требования по применению единиц величин, эталонов, стандартных образцов, методов и средств измерений, направленные на обеспечение единства и точности измерений в интересах общества.
Предметом метрологии является получение количественной информации о свойствах объектов и процессов с заданной точностью и достоверностью.
Физическая величина - одно из свойств объекта (системы, явления, процесса), которое может быть выделено среди других свойств и оценено (измерено) тем или иным способом, в том числе и количественно. Если свойство объекта (явления, процесса) является качественной категорией, так как характеризует отличительные особенности в различии или общности его с другими объектами, то понятие величины служит для количественного описания одного из свойств этого объекта. Величины подразделяются на идеальные и реальные, последние из которых бывают физические и нефизические.
Единица физической величины - физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное 1, и применяемая для количественного выражения однородных с ней физических величин.
Основное понятие метрологии - измерение. Измерение - это нахождение значения величины опытным путем с помощью специальных технических средств или, другими словами, совокупность операций, выполняемых для определения количественного значения величины.
Значимость измерений выражается в трех аспектах: философском, научном и техническом.
Философский аспект заключается в том, что измерения являются основным средством объективного познания окружающего мира, важнейшим универсальным методом познания физических явлений и процессов.
Научный аспект измерений состоит в том, что с помощью измерений 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 условий проведения технологического процесса, качества продукции и эффективного управления процессом.
Единство измерений - состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности известны с заданной вероятностью. Единство измерений необходимо для того, чтобы можно было сопоставить результаты измерений, выполненных в разное время, с использованием различны методов и средств измерений, а также в различных по территориальному расположению местах. Единство измерений обеспечивается их свойствами: сходимостью результатов измерений, воспроизводимостью результатов измерений и правильностью результатов измерений.
Сходимость - это близость результатов измерений, полученных одним и тем же методом, идентичными средствами измерений, и близость к нулю случайной погрешности измерений.
Воспроизводимость результатов измерений характеризуется близостью результатов измерений, полученных различными средствами измерений (естественно одной и той же точности) различными методами.
Правильность результатов измерений определяется правильностью как самих методик измерений, так и правильностью их использования в процессе измерений, а также близостью к нулю систематической погрешности измерений.
Процесс решения любой задачи измерения включает в себя, как правило, три этапа: подготовку, проведение измерения (эксперимента) и обработку результатов. В процессе проведения самого измерения объект измерения и средство измерения приводятся во взаимодействие.
Средство измерения - техническое устройство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические характеристики.
Результат измерения - значение физической величины, найденное путем ее измерения. В процессе измерения на средство измерения, оператора и объект измерения воздействуют различные внешние факторы, именуемые влияющими физическими величинами.
Эти физические величины не измеряются средствами измерения, но оказывают влияние на результаты измерения. Несовершенство изготовления средств измерений, неточность их градуировки, внешние факторы (температура окружающей среды, влажность воздуха, вибрации и др.), субъективные ошибки оператора и многие другие факторы, относящиеся к влияющим физическим величинам, являются неизбежными причинами появления погрешности измерения.
Точность измерений характеризует качество измерений, отражающее близость их результатов к истинному значению измеряемой величины, т.е. близость к нулю погрешности измерений.
Погрешность измерения - отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины.
Под истинным значением физической величины понимается значение, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующие свойства измеряемого объекта.
Основные постулаты метрологии: истинное значение определенной величины существует и оно постоянно; истинное значение измеряемой величины отыскать невозможно. Отсюда следует, что результат измерения математически связан с измеряемой величиной вероятностной зависимостью.
Поскольку истинное значение есть идеальное значение, то в качестве наиболее близкого к нему используют действительное значение. Действительное значение физической величины - это значение физической величины, найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному значению, что может быть использовано вместо него. На практике в качестве действительного значения принимается среднее арифметическое значение измеряемой величины.
Рассмотрев понятие об измерениях, следует различать и родственные термины: контроль, испытание и диагностирование.
Контроль - частный случай измерения, проводимый с целью установления соответствия измеряемой величины заданным пределам.
Испытание - воспроизведение в заданной последовательности определенных воздействий, измерение параметров испытуемого объекта и их регистрация.
Диагностирование - процесс распознавания состояния элементов объекта в данный момент времени. По результатам измерений, выполняемых для параметров, изменяющихся в процессе эксплуатации, можно прогнозировать состояние объекта для дальнейшей эксплуатации.
В данной статье выясним, что такое метрология. Научно-технический прогресс довольно сложно представить себе без методов и средств измерений. Даже во многих бытовых вопросах мы не обходимся без них. По этой причине такой масштабный и всеохватывающий объем знаний не мог остаться без систематизации и выделения в отдельное направление науки. Именно данное научное направление получило название метрология. Она объясняет различные средства измерения с научной точки зрения. Это является предметом исследования метрологии. Однако деятельность специалистов-метрологов при этом включает также и практическую составляющую.
Что такое метрология
Международный словарь основных и общих терминов в метрологии определяет данное понятие как науку об измерениях. Метрология, равно как и любые виды измерений, играет значительную роль практически во всех сферах деятельности человека. Они применяются абсолютно везде, включая производственный контроль, проверку качества окружающей среды, безопасности и здоровья человека, а также оценку материалов, продуктов, употребляемых в пищу, товаров для осуществления торговли на честных условиях и защиты прав потребителей. Что лежит в основе метрологии?
Довольно часто используется понятие «метрологическая инфраструктура». Оно применяется в отношении измерительных мощностей региона или страны в целом и предполагает работу проверочных и калибровочных служб, лабораторий и метрологических институтов, равно как управление и организацию системы метрологии.
Основные понятия
Понятие "метрология" чаще всего используется в обобщенном значении, подразумевая под собой не только теоретические, но и практические стороны измерительной системы. Если требуется конкретизировать область применения, обычно используются следующие понятия.
Общая метрология
Что такое метрология этого типа? Она занимается вопросами, являющимися общими для всех сфер метрологических измерений. Общая метрология занимается практическими и теоретическими вопросами, которые затрагивают измерительные единицы, а именно структуру системы единиц, а также преобразование измерительных единиц в составе формул. Также она занимается проблемой ошибок, допускаемых в измерениях, вопросами инструментов для измерений и метрологических свойств. Довольно часто общую метрологию называют также научной. Общая метрология охватывает различные области, например:
Промышленная метрология
Что такое метрология, использующаяся в сфере промышленности? Эта область науки занимается производственными измерениями, а также проверкой качества. Основные проблемы, с которыми сталкивается промышленная или техническая метрология - интервалы и процедуры калибровки, управление оборудованием для измерений, проверка измерительного процесса и т.д. Довольно часто данное понятие применяется в описании метрологической деятельности в промышленной сфере.
Законодательная метрология
Данный термин входит в список обязательных с технической точки зрения требований. Организации, относящиеся к сфере законодательной метрологии, занимаются проверкой осуществления данных требований с целью выявления достоверности и правильности проведенных измерительных процедур. Это касается таких общественных сфер, как здравоохранение, торговля, безопасность и окружающая среда. Области, которые охватывает законодательная метрология, зависят от соответствующего регламента для каждой отдельно взятой страны.
Рассмотрим основы метрологии более подробно ниже.
Основы
Предметом метрологии называют выведение информации в определенных единицах измерения, содержащей сведения о свойствах рассматриваемого объекта, а также процессах, согласно установленной достоверности и точности.
Под средствами метрологии понимается совокупность измерительных инструментов и общепринятых стандартов, которые позволяют осуществлять их рациональное применение. Стандартизация и метрология тесно связаны между собой.
Объекты
К объектам метрологии относятся:
- Любая величина, подвергающаяся измерению.
- Единица физической величины.
- Измерение.
- Измерительная погрешность.
- Способ проведения измерений.
- Средства, с помощью которых производится измерение.
Критерии значимости
Существуют также определенные критерии, которые обуславливают социальную значимость метрологических работ. К ним относятся:
- Предоставление достоверных и максимально объективных сведений о проведенных измерениях.
- Охрана общества от некорректных измерительных результатов с целью обеспечения безопасности.
Цели
Основными целями технического регулирования и метрологии являются:
- Улучшение качества продукции отечественных производителей и повышение ее конкурентоспособности. Это касается увеличения производственной эффективности, автоматизации и механизации процесса создания продукции.
- Адаптирование российской промышленности к общим предписаниям рынка и преодоление барьеров технического плана в сфере торговли.
- Экономия ресурсов различных видов.
- Поднятие эффективности сотрудничества на международном рынке.
- Ведение учета производимой продукции и ресурсов материального плана.
Задачи
К задачам метрологии относятся:
- Развитие измерительной теории.
- Разработка новых средств и методов проведения измерений.
- Обеспечение единых правил измерений.
- Улучшение качества техники, используемой для проведения измерительных работ.
- Аттестация оборудования для измерений по актуальным регламентам.
- Улучшение документов, регулирующих основные вопросы метрологии.
- Повышение квалификации кадров, которые обеспечивают процесс измерений.
Виды
Измерения классифицируются по ряду факторов, а именно по способу получения сведений, по характеру изменений, по количеству информации для измерения, по отношению к нормальным показателям. Такие существуют виды метрологии.
По способу, которым получается информация, выделяются прямые и косвенные, а также совместные и совокупные измерения.
Каковы же средства метрологии?
Прямые и косвенные измерения
Под прямыми понимается физическое сопоставление меры и величины. Так, например, при измерении длины объекта посредством линейки производится сравнение количественного выражения значения длины с предметом меры.
Косвенные измерения предполагают установку искомого значения величины в результате проведения прямых измерений показателей, связанных определенным образом с подвергающейся проверке величиной. Например, при измерении токовой силы амперметром, а вольтметром - напряжения, с учетом взаимосвязи функционального характера всех величин, можно произвести расчет мощности всей электрической цепи.
Совокупные и совместные измерения
Совокупные измерения предполагают решение уравнений в системе, полученной как следствие проведения измерений нескольких однотипных величин одновременно. Искомая величина вычисляется путем решения данной системы уравнений.
Совместными измерениями называется определение двух и более неоднотипных физических величин с целью расчета зависимости между ними. Последние два вида измерений довольно часто используются в области электротехники для определения разных видов параметров.
По характеру изменений величины в процессе проведения измерительных процедур выделяются динамические, статистические и статические измерения.
Статистические
Статистическими называются измерения, которые связаны с идентификацией признаков случайных процессов, уровня шумов, звуковых сигналов и т.д. Для статических изменений, напротив, характерна постоянная измеряемая величина.
К динамическим относятся измерения величин, которым свойственно меняться в процессе проведения метрологических работ. Динамические и статические измерения довольно редко встречаются на практике в идеальном виде.
Многократные и однократные
По количеству информации измерения подразделяются на многократные и однократные. Под однократным понимается одно измерение одной величины. Таким образом, количество измерений полностью соотносится с величинами, которые измеряются. Применение подобного вида измерений связано со значительными погрешностями в вычислении, поэтому предполагает выведение среднего арифметического значения после проведения нескольких метрологических процедур.
Многократными называются измерения, для которых характерно превышение количества метрологических операций над измеряемыми величинами. Главное преимущество данного вида измерений состоит в незначительном влиянии на погрешность случайных факторов.
Абсолютные и относительные
По отношению к основным метрологическим единицам выделяются абсолютные и относительные измерения.
Абсолютные измерения предполагают использование одной или нескольких основных величин вкупе с постоянной константой. Относительные основываются на отношении метрологической величины к однородной, используемой как единица.
Шкала измерений
Такие понятия, как шкала измерения, принципы и методы, непосредственно связаны с метрологией.
Под шкалой измерений понимается систематизированная совокупность значений величины в ее физическом выражении. Понятие шкалы измерений удобно рассматривать на примере температурных шкал.
Температура таяния льда является начальной точкой отсчета, а опорной точкой выступает температура, при которой закипает вода. За одну температурную единицу, то есть градус Цельсия, принимается одна сотая часть вышеописанного интервала. Существует также температурная шкала по Фаренгейту, начальной точкой отсчета которой считается температура таяния смеси льда с нашатырным спиртом, а за опорную точку принимается нормальная температура тела. Одной единицей по Фаренгейту является девяносто шестая часть интервала. По данной шкале лед тает при 32 градусах, а вода закипает при 212. Таким образом, получается, что по Цельсию интервал составляет 100 градусов, а по Фаренгейту 180.
В системе метрологии также известны и другие виды шкал, например наименований, порядка, интервалов, отношений и т.д.
Шкала наименований подразумевает под собой качественную, но не количественную единицу. Данный вид шкалы не имеет начальной и опорной точки, а также метрологических единиц. Примером подобной шкалы может стать атлас цветов. Он используется для визуального соотношения окрашенного предмета с эталонными образцами, включенными в атлас. Так как вариантов оттенков может быть великое множество, сравнение должен делать опытный специалист, у которого имеется богатый практический опыт в данной области, а также особые зрительные способности.
Для шкалы порядка характерно значение величины измерения, выраженное в баллах. Это могут быть шкалы землетрясений, твердости тел, силы ветра и т.д.
Шкала разностей или интервалов обладает относительными нулевыми значениями. Интервалы по данной шкале определяются по согласованию. В данную группу входят шкалы длины и времени.
У шкалы отношений имеется конкретное нулевое значение, а метрологическая единица определяется по согласованию. Шкала массы, к примеру, может градуироваться разными способами с учетом необходимой точности взвешивания. Аналитические и бытовые весы существенно отличаются друг от друга.
Заключение
Таким образом, метрология принимает участие во всех практических и теоретических сферах деятельности человека. В строительной области измерения используются для определения отклонений конструкции в определенных плоскостях. В медицинской сфере точная аппаратура позволяет проводить диагностические процедуры, то же касается и машиностроения, где специалисты используют устройства, дающие возможность делать расчеты с максимальной точностью.
Существуют также специальные центры метрологии, которые производят техническое регулирование и осуществляют масштабные проекты, а также устанавливают регламенты и проводят систематизацию. Такие агентства распространяют свое влияние на все виды метрологических исследований, применяя к ним установленные стандарты. Несмотря на точность многих показателей, применяемых в метрологии, эта наука, как и все остальные, продолжает движение вперед и претерпевает определенные изменения и дополнения.
