Лекции по "Метрологии"

Госстандарт осуществляет руководство  тремя государственными справочными  службами:

• Государственная служба времени, частоты и определения параметров вращения Земли (ГСВЧ) – об этой службе рядовой житель страны узнает 2 раза в год – при переходе на летнее и зимнее время;
• Государственная служба стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов (ГССО) – обеспечивает создание и применение системы стандартных (эталонных) образцов состава и свойств веществ и материалов – металлов и сплавов, нефтепродуктов, медицинских препаратов и др.;
• Государственная служба стандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществ и материалов (ГСССД) – потребителями являются организации, проектирующие изделия техники, к точности характеристик которой предъявляются особо жесткие требования.

Метрологические службы федеральных органов исполнительной  власти и юридических лиц создаются в министерствах (ведомствах), организациях, на предприятиях и в учреждениях, являющихся юридическими лицами для выполнения работ по обеспечению единства и требуемой точности измерений, осуществления метрологического контроля и надзора.

При выполнении работ в сферах, предусмотренных ст.13 Закона РФ, создание МС для обеспечения единства измерений  является обязательным. Так, МС созданы  в Минздраве, Минатоме и др. федеральных  органах исполнительной власти. Права  и обязанности МС определяются положениями о них, утвержденными руководителями органов управления или юридических лиц.

Если на крупных предприятиях организуются полноценные МС, то на небольших  предприятиях Госстандарт рекомендует  назначать лиц, ответственных за обеспечение единства измерений. Для ответственных лиц утверждается должностная инструкция, в которой устанавливаются их функции, права, обязанности и ответственность.

Международные метрологические  организации рассмотрены в первой теме.

ГМС России в своей деятельности учитывает документы региональных международных метрологических организаций, а также зарубежных национальных метрологических организаций США, Англии и пр.

 

Контрольные вопросы

 

 

 

 

Лекция 4

2.3. Средства и методы  измерений

Основные  понятия - средства и методы измерений, правила поверки, способы подтверждения соответствия средств измерения;

 

Виды измерений. Цель измерений – получение значений этой величины в форме, наиболее удобной для пользования. Измерения различают по способу получения информации, по характеру изменений измеряемой величины в процессе измерений, по количеству измерительной информации, по отношению к основным единицам.

По способу получения  информации измерения разделяют на прямые, косвенные, совокупные и совместные.

Прямые измерения - это непосредственное сравнение физической величины с её мерой. Например, при определении длины предмета линейкой происходит сравнение искомой величины с мерой, т.е. линейкой.

Косвенные измерения отличаются от прямых тем, что искомое значение величины устанавливают по результатам прямых измерений таких величин, которые связаны с искомой определенной зависимостью. Например, измерение пористости хлебобулочных изделий по результатам отбора выемки известного объема и определения массы этой выемки.

Совокупные  измерения сопряжены с решением системы уравнений, составляемых по результатам одновременных измерений нескольких однородных величин. Решение системы уравнений дает возможность вычислить искомую величину. Например, совокупными являются измерения, при  которых массы отдельных гирь набора находят по известной массе одной из них и по результатам прямых сравнений масс различных сочетаний гирь.

Совместные измерения  – это измерения двух или более неоднородных физических величин для определения зависимости между ними. Например, определение активностей кислотности хлеба при температуре 20⁰С и температурных коэффициентов для автоматической температурной компенсации при различных температурах.

По характеру изменения  измеряемой величины в процессе измерений бывают статистические и динамические измерения.

Статистические измерения связаны  с определением характеристик случайных  процессов, звуковых сигналов и т.п. Статистические измерения имеют  место тогда, когда измеряемая величина практически постоянна.

Динамические измерения связаны с такими величинами, которые в процессе измерений претерпевают те или иные измерения.

Статистические и динамические измерения в идеальном виде на практике редки.

По количеству измерительной  информации различают однократные и многократные измерения.

Однократные измерения – это одно измерение одной величины, т.е. число  измерений равно числу измеряемых величин.

Практическое применение такого вида измерений всегда сопряжено с  большими погрешностями, поэтому следует  проводить не менее трех однократных измерений и находить конечный результат как среднее арифметическое значение.

Многократные измерения  характеризуются превышением числа измерений количества измеряемых величин. 

Обычно минимальное число измерений  в данном случае больше трех. Преимущество многократных измерений – в значительном снижении влияний случайных факторов на погрешность измерения.

По отношению к основным единицам

Абсолютные измерения – измерения, при которых используются прямое измерение одной основной величины и физическая константа. Например, формула Эйнштейна Е=m*c², где m – основная ФВ, которая может быть измерена прямым путем (взвешиванием), а скорость света (с) – физическая константа.

Относительные измерения  базируются на установлении отношения измеряемой величины к однородной, применяемой в качестве единицы. Искомое значение зависит от используемой единицы измерений.

Методы измерений. Метод измерений – прием или совокупность приемов сравнения  измеряемой ФВ с её единицей в соответствии с реализованным  принципом измерений.

Методы измерений классифицируют по нескольким признакам.

По общим приемам  получения результатов измерений

Прямой метод измерений – это метод измерения, при котором значения величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора. Например, измерение времени – секундомером; температуры – термометром; плотности – ареометром.

Косвенный метод  измерений -  измерение, при котором искомое значение величины  определяют на основании результатов прямых измерений других ФВ, функционально связанных с искомой величиной.

По условиям измерения различают:

Контактный – основан на том, что чувствительный элемент прибора приводится в контакт с объектом измерения. Например, измерение температуры тела термометром.

Бесконтактный – основан на том, что чувствительный элемент прибора не приводится в контакт с объектом измерения. Например, измерение расстояния до объекта радиолакатором.

Исходя из способа  сравнения измеряемой величины с  её единицей

Метод непосредственной оценки – это прямой метод измерения.

Метод сравнения  с мерой - измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Например, измерение массы на рычажных весах с уравновешиванием гирями.

Метод сравнения с  мерой имеет ряд разновидностей:

• нулевой метод – метод сравнения с мерой, в которой результатирующий эффект воздействия величины на прибор сравнения доводят до нуля. Например, измерение электрического сопротивления электромостом с полным его уравновешиванием.
• метод замещения – это метод сравнения, при котором измеряемую величину  замещают известной величиной, воспроизводимой мерой, сохраняя все условия неизменными. Например, поочередное взвешивание измеряемой массы и гирь на одной и той же чашке весов.

- метод совпадений  – это метод сравнения с  мерой, в которой разность между значениями искомой и воспроизводимой мер величин измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов.

Средства измерений. Человек является высокосовершенным «средством измерении». Однако вполне объективными могут считаться только измерения, выполняемые без участия человека.

Измерения, выполняемые  с помощью специальных технических  средств называются инструментальными. Среди них могут быть автоматизированные и автоматические. При автоматизированных измерениях роль человека полностью не исключена. Он может, например, проводить съем данных с отсчетного устройства измерительного прибора (шкалы со стрелкой или цифрового табло), вести их регистрацию в журнале, обрабатывать в уме или с помощью вычислительных средств.

Автоматические измерения выполняются без участия человека. Результат их представляется в форме документа и является совершенно объективным. Однако стоимость такого результата обычно велика, и целесообразность автоматизации измерений всегда должна быть экономически обоснованной, поэтому такие измерения проводят только в тех областях, где требуется высокая точность. В пищевой промышленности такие измерения практически не используют.

 Так как измеряются  свойства, общие в качественном  отношении многим объектам и  явлениям, эти свойства без участия органов чувств человека, должны быть обнаружены. Технические устройства, предназначенные для обнаружения физических свойств, называют индикаторами. Лакмусовая бумага, например, - индикатор активности ионов водорода в растворах; стрелка магнитного компаса – индикатор напряженности магнитного поля.

С помощью индикаторов  устанавливается только наличие  измеряемой величины. В этом случае, индикаторы играют ту же роль, что и  органы чувств человека.

Так как индикаторы должны реагировать на проявление свойств окружающего мира, важнейшей его технической характеристикой является порог реагирования (порог чувствительности). Чем меньше порог реагирования, тем более слабое проявление свойства регистрируется индикатором.

Однако обнаружить физическую величину и измерить ее – далеко не одно и тоже. Для измерения необходимо сравнить неизвестный размер с известными и выразить первый через второй в кратном или дольном отношении. Если физическая величина известного размера есть в наличии, то она непосредственно используется для сравнения. Так измеряют длину линейкой, массу с помощью гирь и весов и т.д. Если же физической величиной известного размера в наличии нет, то сравнивается реакция прибора на воздействие измеряемой величины с проявившейся ранее реакцией на воздействие той же величины, но известного размера. Так силу электрического тока измеряют амперметром, скорость -  спидометром, термодинамическую температуру – термометром и т.д.

От индикаторов все  эти измерительные приборы отличаются тем, что обеспечивают сравнение откликов на воздействие двух разных размеров физической величины (известного и неизвестного). Для облегчения сравнения отклик на известные воздействия еще на стадии изготовления прибора фиксируют на шкале отсчетного устройства, после чего разбивают шкалу на деления в кратном и дольном отношении. Эта процедура называется градуировкой шкалы. При измерениях она позволяет по положению указателя получать результат сравнения непосредственно по шкале отношений.

Все технические  средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические характеристики или класс точности, называются средствами измерений. К ним относятся: вещественные меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки и измерительные системы.

Вещественные меры предназначены  для воспроизведения физической величины заданного размера, который  характеризуется номинальным значением. Примером могут служить гири, резисторы  и другие средства, которые являются мерами массы, электрического сопротивления и т.д.

Различают однозначные  им многозначные меры, а также наборы мер.

Под однозначной понимают меру, воспроизводящую физическую величину одного размера, например, гиря, измерительная  колба.

Под многозначной понимают меру, воспроизводящую ряд одноименных величин различного размера, например, линейка с сантиметровыми делениями.

Набор мер – это  специально подобранный комплект мер, применяемых не только в отдельности, но и в различных сочетаниях для  воспроизведения ряда одноименных  величин различного размера. К набору мер можно отнести: наборы гирь и резисторов.

Измерительный преобразователь  – это средство измерения, предназначенное  для выработки измерительной  информации в форме, удобной для  передачи дальнейшего преобразования, обработки или хранения, но недоступной для непосредственного восприятия наблюдателем, например, термопара в термоэлектрическом термометре.

Все измерительные преобразователи  делятся на первичные и промежуточные.

Под первичными измерительными преобразователем понимают такой преобразователь, к которому подведена измеряемая величина, т.е. первый в измерительной цепи. К таким преобразователем можно отнести термопару, электрод рН-метра.

Под промежуточным –  понимают преобразователь, который  располагается в измерительной  цепи за первичным.

Измерительные преобразователи могут быть передающими и масштабными.