Лекции по "Метрологии"

2. Средства и методы измерений

Следует понимать, что проведение измерений невозможно без использования средств измерений, исполняющих роль измерительных инструментов. Вторым условием проведения измерений является применение стандартных методов.

Измерение – это основополагающее понятие в метрологии, поэтому очень важно разобраться в области его применения, а также видах и разновидностях измерения.

Важнейшим элементом  процесса измерения является физическая величина как свойство окружающего мира. Следует помнить, что физическая величина может быть измерена количественно, т.е. имеет размер и может быть обнаружена качественно, что определяет ее размерность.

 Необходимо знать  системные и внесистемные физические  величины (ФВ), а также правила  образования десятичных кратных  и дольных единиц, их наименования и обозначения. Необходимо знать единицы системы СИ: основные, дополнительные и  производные, а также  внесистемные единицы: безразмерные, дробные, старорусские и англо-американские.

Важным в процедуре  измерения является знание классификации средств измерений. По конструктивному исполнению различают меры (однозначные, многозначные, наборы мер), измерительные приборы, преобразователи, установки, и измерительные системы.

Меры и приборы делятся  на образцовые и производственные (или  рабочие).

По метрологическому назначению различают эталоны и рабочие средства измерений (РСИ). Эталоны – это высокоточные СИ, которые подразделяются на две группы: государственные (первичные и специальные) и вторичные (копии, сравнения и рабочие).

РСИ предназначены для  проведения технических измерений. Основными отличия СИ от индикатора – умение хранить, обнаружить и воспроизводить ФВ, а также ее неизменность.

По условиям применения они могут быть лабораторными, производственными и полевыми. Необходимо четко представлять их назначение, порядок хранения и поверки, знать поверочные схемы.

Также в процессе измерения  необходимо учитывать метрологические характеристики СИ (диапазон измерений, чувствительность, точность, погрешность, цена деления), а также условия проведения измерений (нормальные и рабочие). Технические характеристики СИ приводятся в их паспортных данных.

При проведении измерений  используют различные методы сравнения измеряемой величины с единицей в зависимости от поставленных задач. По условиям измерений различают контактный и бесконтактный методы измерений. По условиям получения результатов измерений различают прямой и косвенный метод измерений. Исходя из способа сравнения измеряемой величины с единицей, различают методы непосредственной оценки и метод сравнения с мерой.

При таком многообразии методов необходимо учитывать факторы, влияющие на результаты измерений: объекты, субъекты, условия, средства измерений. Уметь устранять возможные негативные факторы для снижения погрешности и повышения точности результата измерений. Использовать в расчетах поправки измерений – аддитивные (прибавляемые) или мультипликативные (умножаемые).

3. Основы теории измерений

Знание и умение применять  на практике законы теории  измерений  обеспечивают студенту успешное усвоение методик обработки результатов экспериментальных исследований по товароведению или маркетинговых исследований. Закрепление навыков математической обработки результатов измерений производится на лабораторных занятиях.

В теории измерений основополагающими  являются следующие понятия: «основной постулат метрологии», «основное уравнение измерения ФВ» и «правило 3 сигм».

Основное уравнение  измерений отражает процедуру сравнения неизвестной величины Q с известной [Q] по формуле Q/ [Q] = X. В качестве единицы измерения [Q] выступает единица международной системы СИ.  Х – размер измеряемой величины. Указанное уравнение является математической моделью измерений по шкале отношений.

Суть «основного постулата измерений» заключается в случайном характере результатов многократных измерений. Поэтому для четкого понимания постулата необходимо различать однократные измерения (до 3 повторений) и многократные (свыше 4). Положение постулата формулируется в виде аксиомы – при многократном измерении одной и той же величины постоянного размера результат, называемый отсчетом по шкале отношений, получается все время разным. То есть отсчет является случайным числом. Причиной тому могут являться факторы: объекты измерений (предметы или явления), субъекты (операторы), условия измерений (температура, влажность, атмосферное давление, напряжение тока, освещенность и санитарное состояние помещения), средства измерений (точность, конструкция).

Появление ошибок может  компенсироваться поправками аддитивными и мультипликативными. Измерения повторяются для устранения причины ошибки по «правилам 3 сигм». Суть правила: если при многократном измерении сомнительный результат отдельного измерения отличается от среднего больше чем на 3δ (δ – среднее квадратическое отклонение значения измеряемой величины от среднего значения), то с вероятностью 0,997 результат является ошибочным и его следует отбросить.

4. Государственная система  обеспечения единства измерений  (ГСИ)

Ключевой задачей метрологии является обеспечение единства измерений, осуществляемое в рамках ГСИ. Метрологическое обеспечение измерений предполагает деятельность метрологических органов, направленную на создание (применение) эталонов и рабочих средств измерений, разработку теории и методов измерений, на обеспечение единства и точности измерений, а также создание нормативной базы и метрологический контроль и надзор за средствами измерений и систем единиц ФВ.

Следует помнить, что  метрологическое обеспечение является связующим звеном между стандартизацией и сертификацией.

Структура ГСИ  состоит из 3 подсистем: правовой, технической и организационной. Фундаментом нормативно-правовой базы метрологии является Закон РФ «Об обеспечении единства измерений», а также комплекс национальных основополагающих стандартов 8 системы (ГОСТ и ГОСТ Р), российские правила по метрологии (ПР), рекомендации метрологических институтов (МИ), методики выполнения измерения (МВИ), государственные поверочные схемы и методики поверки СИ.

Технической основой ГСИ является система эталонной разных уровней и назначения, стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов, стандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществ и материалов, совокупность средств измерений и испытательного оборудования для целей метрологического надзора и контроля, совокупность, а также испытательных лабораторий.

Организационная основа ГСИ – метрологическая служба, возглавляемая Федеральным агентством по техническому регулированию. Ростехрегулирование включает государственные и ведомственные службы: МТУ, ФГУ ЦСМ и НИИ, а также справочную метрологическую службу (СМС). Функции государственного метрологического надзора выполняет агентство «Ростехрегулирование» непосредственно и через сеть (их 7) МТУ, в число которых входит Дальневосточное МТУ. Метрологический контроль в Хабаровском крае осуществляет  ФГУ «Хабаровский ЦСМ».

Необходимо различать  сущность метрологического контроля и  надзора за обеспечением единства и единообразия измерений, знать их виды и сферу распространения. Изучить функции государственных инспекторов по надзору и контролю в сфере метрологии, а также ответственность инспекторов за ненадлежащее выполнение должностных обязанностей.

Необходимо  ознакомиться с деятельностью государственных  справочных служб: ГСВЧ, ГССО, ГСССД  – и международных метрологических  организаций: МБМВ, МОЗМ, Метрическая конвенция, КООМЕТ. Рассмотрите их статус, функции и структуру, а также  их  роль в повышении качества метрологической деятельности.

 

Контрольные вопросы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Лекция 3

2.2. Объекты и субъекты  метрологии

Основные  понятия - объекты и субъекты метрологии;

 

Объектами метрологии являются: единицы  величин, средства измерений, эталоны  и методики выполнения измерений.

Классификация величин

Все объекты окружающего мира характеризуются  своими свойствами.

Свойство - философская категория, которая обуславливает его различие или общность с другими объектами (явлениями, процессами) и обнаруживается в его отношениях к ним.

Свойство – категория качественная. Для количественного описания различных  свойств процессов и физических тел вводится понятие величины.

Величина - это свойство чего-либо, которое может быть выделено среди других свойств и оценено тем или иным способом, в том числе и количественно.

Величина не существует сама по себе, она имеет место лишь постольку, поскольку существует объект со свойствами, выраженными данной величиной.

Величины делят на два вида: реальные и идеальные.

Идеальные величины главным образом относятся к математике и являются обобщением (моделью) конкретных реальных понятий. Они вычисляются тем или иным способом, например, неопределенность, значимость и т.д.

Реальные величины делятся на физические и нефизические:

• физическая величина может быть определена как величина, свойственная материальным объектам (процессам, явлениям), изучаемым в естественных (физика, химия) и технических науках;
• нефизическая величина - величина, присущая общественным (нефизическим) наукам – философии, социологии, экономики и т.п. (например, экономические величины – стоимость, цена, прибыль и т.д).

Стандарт ГОСТ 16263-70 трактует физическую величину, как одно из свойств физического объекта, в качественном отношении общее для многих физических объектов, а в количественном – индивидуальное для каждого из них. Индивидуальность в количественном отношении понимают в том смысле, что свойство может быть для одного объекта в определенное число раз больше или меньше, чем для другого. Таким образом, физические величины – это измеренные свойства физических объектов или процессов, с помощью которых они могут быть изучены.

Физические величины в свою очередь  делят на измеряемые и оцениваемые:

• измеряемые физические величины могут быть выражены количественно в виде определенного числа установленных единиц измерения. Возможность введения и использования последних является важным отличительным признаком измеряемых физических величин;
• оцениваемые - физические величины, для которых по тем или иным причинам не может быть введена единица измерения, могут быть только оценены.

Под оцениванием в таком случае понимается операция приписывания данной величине определенного числа, проводимая по установленным правилам.

Оценивание величины осуществляется при помощи шкал. Шкала величины – упорядоченная последовательность её значений, принятая по соглашению на основании результатов точных измерений.

Нефизические величины, для которых единица измерения в принципе не может быть введена, могут быть только оценены.

Классификация физических величин

1. По видам явлений физические величины делятся на следующие  три группы:

• вещественные, т.е. описывающие физические и физико-химические свойства веществ, материалов и изделий из них. К этой группе  относятся масса, плотность, электрическое сопротивление, емкость, индуктивность и др.

Иногда данные физические величины называют пассивными. Для их измерения  необходимо использовать вспомогательный  источник энергии, с помощью которого формируется  сигнал  измерительной информации. При этом пассивные физические величины преобразуются в активные, которые и измеряются;

- энергетические, т.е. величины, описывающие  энергетические характеристики  процессов преобразования, передачи и использования энергии. К ним относятся ток,  напряжение, мощность, энергия.  Эти величины называют активными. Они могут быть преобразованы в сигналы измерительной информации без использования вспомогательных источников энергии;

- характеризующие протекание процессов во времени. К этой группе относятся различного вида спектральные характеристики, корреляционные функции и др.

2) По  принадлежности к различным группам  физических процессов физические  величины делятся на пространственно-временные, механические, тепловые, электрические и магнитные, акустические, световые, физико-химические, ионизирующих излучений, атомной и ядерной физики.

3) По  степени условной независимости  от других величин данной группы  физические величины делятся  на основные (условно независимые), производные (условно зависимые) и дополнительные.

ГОСТ 8.417–81 «Государственная система обеспечения  единства измерений. Единицы физических величин» устанавливает семь основных физических  величин:  длина, время, масса, температура, сила тока, сила света и количество вещества.

Производные – это физические величины, структурированные за счет комбинаций основных величин.  По характеру участия в математических соотношениях  и формулах, выражающих связи и зависимости между измеряемыми величинами в целом, выделяют три типа: