Р. А. Ахмеджанов, С. В. Бирюков,

А. И. Чередов

ОСНОВЫ метрологии

Москва 2010

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Омский государственный университет путей сообщения

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Омский государственный технический университет

Р. А. Ахмеджанов, С. В. Бирюков, А. И. Чередов

Основы метрологии

Учебное пособие

москва 2010

УДК 621.317.3

ББК 31.221

К 49

основы метрологии: Учебное пособие / Р. А. Ахмеджанов, С. В. Бирюков, А. И. Чередов. М.: Маршрут, 2010.

Рассматриваются общие метрологические понятия, термины и определения, характеристики средств измерений и другие вопросы метрологии.

Предназначены для студентов специальностей 200106, 200102 очной, очно-заочной и заочной форм обучения, также могут быть полезны студентам других специальностей, изучающих средства измерений и контроля.

Рецензенты:

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 5

1. Основные понятия в области измерений 7

1.1. Измерение. Измеряемые величины 8

1.2. Физическая величина, ее размер и значение 10

1.3. Единицы и системы единиц физической величины 16

1.4. Размерность физической величины 23

2. Виды и методы измерений 25

2.1. Классификация видов измерений 26

2.2. Методы измерений и их классификация 32

3. Погрешности измерений 43

3.1. Абсолютные и относительные погрешности 44

3.2. Погрешности инструментальные и методические, отсчитывания и установки 45

3.3. Погрешности систематические, прогрессивные, случайные и грубые 48

3.4. Вероятностный подход к описанию погрешностей 52

3.5. Правила суммирования случайных и систематических погрешностей 63

3.6. Формы представления результатов измерений 66

4. Средства измерений 69

4.1. Характеристики средств измерений 69

4.2. Классификация средств измерений 71

4.3. Метрологические характеристики средств измерений 91

4.4. Погрешности средств измерений 103

4.5. Нормирование метрологических характеристик средств измерений 111

4.6. Способы выражения пределов допускаемых погрешностей средств измерений 113

4.7. Правила выбора нормирующего значения 115

4.8. Классы точности средств измерений 118

5. Эталоны. Стандартные образцы и меры 120

6. Организационные основы обеспечения единства измерений 137

6.1. Формы государственного регулирования в области обеспечения единства измерений 141

6.2. Метрологические службы России 143

6.3. Государственный метрологический контроль и надзор 146

6.4. Поверка, калибровка и сертификация средств измерений 153

Библиографический список 155

ВВЕДЕНИЕ

Метрология как учение об измерениях в значительной степени определяет темпы технического прогресса, причем роль ее постоянно возрастает с увеличением объема и значимости измерительной информации. Огромный объем информации, получаемой в результате измерений, будет полезным только при обеспечении единства и правильности выполнения измерений независимо от места, времени и условий их проведения. Для получения достоверной информации, сопоставления результатов измерений необходима современная эталонная база, воспроизводящая единицу физической величины с большой точностью.

Фундаментальные физические исследования, тщательный и всесторонний анализ современных достижений естественных наук, техники и технологии позволили российским метрологам (ВНИИМС, ВНИИМ им. Д. И. Менделеева, ВНИИФТРИ и др.) создать одну из самых современных в мире эталонных баз, включающую в себя около 150 государственных и 500 вторичных (главным образом рабочих) эталонов, обеспечивающих воспроизведение и хранение единиц примерно 75 физических величин. Эталонная база обеспечивает единство измерений для таких важнейших отраслей народного хозяйства, как машиностроение, электро- и теплоэнергетика, транспорт, радиоэлектроника, здравоохранение и др.

Одна из основных задач метрологии – обеспечение единства измерений и необходимой точности и достоверности измерительной информации. В народном хозяйстве применяют лишь те средства измерений, которые гарантируют их результаты. Результаты измерений – знания о состоянии объекта и свойствах явлений. Чем точнее эти знания, тем правильнее вывод и принимаемые решения, тем меньше вероятность ошибок и появления дефектов.

Правовые основы единства измерений устанавливает принятый Федеральный закон 11 июня 2008 г. № 102/ФЗ «Об обеспечении единства измерений».

Оценка погрешности измерения в современных условиях – задача комплексная и сложная. Некорректная оценка погрешности измерений чревата большими экономическими потерями, а иногда и техническими последствиями, неправильными выводами при научных исследованиях и испытаниях образцов новой техники.

Большая работа, проведенная Комитетом стандартов по законодательной метрологии, позволила стандартизировать термины, применяемые в измерительной технике, перейти на использование в измерительной технике Международной системы единиц, сформулировать и узаконить основные положения государственной системы обеспечения единства измерений.

1. Основные понятия в области метрологии

Метрология – это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения единства измерений и способах достижения заданного уровня точности.

Метрология зародилась в глубокой древности и по словообразованию означает учение о мерах.

К основным понятиям, которыми оперирует метрология, можно отнести следующие: физическая величина, единица физической величины, передача размера единицы физической величины, средства измерений физической величины, эталон, рабочее средство измерений, измерение физической величины, метод измерений, результат измерений, погрешность измерений, метрологическая служба и др.

Метрология подразделяется на теоретическую метрологию – раздел метрологии, предметом которого является разработка фундаментальных основ метрологии; законодательную метрологию – раздел метрологии, предметом которого является установление обязательных технических и юридических требований по применению единиц физических величин, эталонов, методов и средств измерений, направленных на обеспечение единства и необходимости точности измерений в интересах общества; практическую метрологию – раздел метрологии, предметом которого являются вопросы практического применения разработок теоретической метрологии и положений законодательной метрологии [8].

Метрология является научной основой измерительной техники – всех технических средств, с помощью которых выполняется измерение, и технологии проведения измерений.

В нашей стране действуют закон об обеспечении единства измерений и РМГ-29-99 «Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Термины и определения. Рекомендации по межгосударственной стандартизации», вводящие новые понятия и определения и уточняющие ранее действующие.

1.1. Измерение. Измеряемые величины

Профессором М. Ф. Маликовым было дано следующее определение: «Измерение – познавательный процесс, заключающийся в сравнении путем физического эксперимента данной величины с известной величиной, принятой за единицу сравнения». «Измерение – нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств» [9].

В настоящее время принято следующее развернутое определение. Измерение – это совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины.

В этом определении учтена техническая сторона (совокупность операций), раскрыта метрологическая суть измерений (сравнение с единицей) и показан гносеологический аспект (получение значения величины).

Например, в простейшем случае, прикладывая линейку с делениями к какой-либо детали, по сути сравнивают ее размер с единицей, хранимой линейкой, и, произведя отсчет, получают значение величины (длины, высоты, толщины и других параметров детали), т. е. решена конкретная измерительная задача. В общем случае она сводится к определению значения физической величины путем ее измерения с требуемой точностью в данных условиях измерения.

Приведенное определение понятия измерение удовлетворяет общему уравнению измерений, что имеет существенное значение в деле упорядочения системы понятий в метрологии. Под уравнением измерения в конкретной измерительной задаче понимают уравнение связи, которое отражает связь между физическими величинами, обусловленную законами природы. Физические величины обозначают буквенными символами. Например, уравнение отражает существующую зависимость скорости от времени .

От термина измерение происходит термин «измерять», которым широко пользуются на практике. Все же нередко применяются такие термины, как «мерить», «обмерять», «замерять», «промерять», не вписывающиеся в систему метрологических терминов. Их применять не следует.

Не следует также применять такие выражения, как «измерение значения» (например, мгновенного значения напряжения или его среднего квадратического значения), так как значение величины – это уже результат измерений.

В тех случаях, когда невозможно выполнить измерение, т. е. не выделена величина как физическая и не определена единица измерения этой величины, практикуется оценивание таких величин по условным шкалам.

Следует отметить, что в нахождение значения физической величины (далее – величины) может включаться и математическая обработка результатов измерения, в частности, введение поправок и статистическая обработка результатов наблюдений.

Значение величины, найденное путем ее измерения, называется результатом измерения. Операции, выполняемые в процессе измерения, имеющие целью своевременно и правильно произвести отсчет, т. е. фиксацию одного значения величины (или числа) из группы значений в заданный момент времени, называются наблюдением.

В метрологии среди основных установлен термин «единство измерений», под которым понимают состояние измерений, характеризующееся тем, что их результаты выражаются в узаконенных единицах, размеры которых в установленных пределах равны размерам единиц, воспроизводимых первичными эталонами, и погрешности измерений с заданной вероятностью не выходят за установленные границы.

Этот термин позволяет обеспечить сопоставимость измерений, выполненных в разное время, разными средствами и методами. Единство измерений обеспечивается единообразием средств измерений и правильностью методик их выполнения. При этом под единообразием средств измерений понимается такое их состояние, при котором они градуированы в узаконенных единицах и их метрологические свойства соответствуют установленным нормам.