Учебное пособие 800242

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Воронежский государственный

технический университет»

Е. Л. Савельева, Н. В. Ситников, С. А. Горемыкин

МЕТРОЛОГИЯ

Учебное пособие

Воронеж 2020

УДК 612.317.08(075.8) ББК 31.261

С128

Рецензенты:

кафедра электроэнергетики Международного института компьютерных технологий

(зав. кафедрой канд. техн. наук, доцент П. Ю. Беляков); канд. техн. наук, доцент Д. Г. Козлов

Савельева, Е. Л.

Метрология: учебное пособие [Электронный ресурс]. - Электрон. текстовые и граф. данные (1,04 Мб) / Е. Л. Савельева, С128 Н. В. Ситников, С. А. Горемыкин - Воронеж: ФБГОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2020. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM): цв. – Систем. требования: ПК 500 и выше;256 Мб ОЗУ;

Windows XP; SVGA с разрешением 1024х768; Adobe Acrobat; CD-ROM

дисковод; мышь. – Загл. с экрана.

ISBN 978-5-7731-0893-1

В учебном пособии рассмотрены следующие вопросы: основные положения метрологии, измерений и технического контроля, классификация измерений, методов и средств измерений, способы нормирования приборных погрешностей, классификация погрешностей измерений, способов их исключения и уменьшения, рассмотрена оценка погрешностей прямых и косвенных измерений, обработки статистических наблюдений и метрологические характеристики контроля, рассмотрены принципы работы и области применения аналоговых и цифровых измерительных приборов, а также – измерительных систем и комплексов.

Издание предназначено для студентов, обучающихся по направлению 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» (профили «Электромеханика», «Электроснабжение», «Электропривод и автоматика»).

Ил. 36. Табл. 1. Библиогр.: 9 назв.

УДК 612.317.08(075.8) ББК 31.261

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

©ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2020

2

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» профили «Электромеханика», «Электроснабжение», «Электропривод и автоматика» очной и заочной форм обучения, изучающих дисциплину "Метрология".

Учебное пособие содержит введение, три главы, вопросы для самоконтроля, заключение и библиографический список. Приложением к учебному пособию является рабочая тетрадь студента.

Во введении приводится историческая справка, содержание программного материала дисциплины, самостоятельной работы и контроля знаний студентов,

атакже учебно-методические материалы по дисциплине.

Впервой главе приведены основные положения метрологии, измерений и технического контроля, классификация измерений, методов и средств измерений, способы нормирования приборных погрешностей.

Во второй главе дана классификация погрешностей измерений, способов их исключения и уменьшения. Рассмотрена оценка погрешностей прямых и косвенных измерений, обработки статистических наблюдений и метрологические характеристики контроля.

Втретьей главе рассмотрены принципы работы и области применения аналоговых и цифровых измерительных приборов, а также – измерительных систем и комплексов.

Кроме того, каждая глава содержит аннотацию, цель изучения главы,

вопросы для самоконтроля.

Вопросы для самоконтроля, составленные по основным главам, помогут студентам подготовиться к зачету и (или) экзамену по дисциплине.

Заключение содержит рекомендации по применению знаний, полученных при изучении дисциплины "Метрология", в специальных и профилирующих дисциплинах.

Рекомендуется следующий порядок работы с учебным пособием:

знакомство с программным материалом;

изучение содержания 1 главы;

выполнение в рабочей тетради заданий, связанных с данной главой;

изучение содержания следующих глав;

выполнение в рабочей тетради заданий, связанных с данными главами;

подготовка к зачету или экзамену по тестам контроля знаний. Содержание учебного пособия позволяет полностью выполнить

контрольные работы и подготовиться к зачету или экзамену по дисциплине. Однако при желании более углубленного изучения некоторых вопросов можно рекомендовать учебную литературу, перечисленную во введении и библиографическом списке.

3

ВВЕДЕНИЕ

1.ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА

2.СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

3.САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА И КОНТРОЛЬ ЗНАНИЙ СТУДЕНТОВ

4.УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

Сдавних пор человечество пользуется всевозможными средствами измерений. Смотрим ли мы на термометр или на часы, следим ли за стрелкой

спидометра или весов так или иначе мы занимаемся оценкой количественной информации, то есть измерениями. Чтобы оценить результаты эксперимента или качество продукции, потребляемой энергии или энергоносителя, поддерживать требуемый режим технологического процесса, нужно, прежде всего, получить точную количественную информацию о значении физической величины. А получить такую информацию можно только с помощью измерений. Особо важную роль измерения играют в научных исследованиях и на производстве. В наше время на измерения и контроль приходится не менее десятой доли общественного труда. А в сферах деятельности человека, например, при разработке, производстве и эксплуатации автоматических систем, радиоэлектронной, авиационной и космической техники, их доля составляет от 40 до 70 % всех трудовых затрат.

Цели и задачи изучения дисциплины формирование грамотного подхода к постановке экспериментов, обоснованному выбору и корректной эксплуатации контрольно-измерительной техники, правильной интерпретации и обработке результатов измерений на основе принципов прикладной метрологии и квалиметрии.

ПОСЛЕ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ НЕОБХОДИМО ЗНАТЬ

Основные термины и определения в области прикладной метрологии.

Методы и средства измерений и их метрологические характеристики.

Способы нормирования погрешностей средств измерений.

Принципы оценки погрешностей, прямых и косвенных измерений.

Принципы работы, уравнения шкал аналоговой измерительной техники.

Принципы работы, структурные схемы цифровых измерительных приборов.

Назначение и возможности измерительных систем и измерительных комплексов.

4

ПОСЛЕ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ НЕОБХОДИМО УМЕТЬ

Решать задачи по постановке измерительных экспериментов.

Пользоваться нормативно-технической документацией на рабочие средства измерений.

Обрабатывать результаты лабораторных экспериментов.

Выбирать средства измерений для целей контроля технологических операций

иоценки качества изделий.

1. ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА

История развития метрологии, как науки о высокоточных измерениях и собственно – измерений при научных исследованиях и на производстве неразрывно связана с историей развития всех областей техники.

Известно, что процесс познания окружающей нас природы заключается в переходе от простого созерцания к абстрактному мышлению. А в процессе познания практика есть критерий истины. Поэтому не случайно имеют до сих пор глубокое поучительное значение слова Д. И. Менделеева – “Наука начинается с тех пор, как начинают измерять”. Не случайно, поэтому, все достижения науки и техники немедленно использовались для создания новых методов и средств измерений различных физических величин.

Таким образом совершенство метрологии, измерений и контроля обязано достижениям науки и техники, и в то же время достижения науки и техники во многом определяются возможностями не только экспериментальной базы и испытательного оборудования, но и – прикладной метрологии и измерений. Например, Г. Ом при открытии в 1826 г. закона, носящего его имя, для

Достойное место в истории развития метрологии и измерений занимают русские ученые. Первый электроизмерительный прибор – электрометр был создан русским ученым Г. В. Рихманом в 1745 г. В 1749 г., в сконструированном М. В. Ломоносовым электроизмерительном приборе была впервые применена противодействующая пружина.

Большое значение для развития метрологии имели труды основоположника русской метрологии Ф. И. Петрушевского, написавшего первый в России учебник по Основам метрологии.

В 1890 – 1910 гг. выдающимся русским инженером – электротехником М.О. Доливо-Добровольским были разработаны электромагнитные амперметры и вольтметры, индукционный измерительный механизм для счетчиков электрической энергии и ферродинамический ваттметр.

А. Г. Столетов впервые предложил для характеристики намагничивания ферромагнитных материалов использовать кривую намагничивания.

5

Огромно значение работ в области становления отечественной научной и прикладной метрологии Д. И. Менделеева. В 1900 г. Д. И. Менделеев, будучи управляющим Главной палаты мер и весов (ныне НПО им. Д. И. Менделеева, г. Санкт – Петербург), основал лабораторию эталонов электрических единиц, где основоположником современной метрологии, профессором М. Ф. Маликовым были созданы первые эталоны Ома и Вольта. Благодаря работам русских метрологов, подготовивших научную и техническую базу, в сентябре 1918 г. Совнарком РСФСР принял декрет о введении прогрессивной метрической системы мер. Это значительно облегчило переход нашей страны на международную систему единиц SI, которая была принята к внедрению во всех областях науки, техники, образования и в торговле в 1962 г.

В настоящее время измерительная техника развивается в следующих направлениях:

- повышается точность, надежность и быстродействие, расширяются рабочие диапазоны, улучшаются конструкции измерительных средств;

-в ряде измерительных приборов кроме отсчитывающих и записывающих устройств предусматриваются различные устройства сигнализации определенных значений измеряемой или контролируемой величины и выработки сигналов автоматического управления объектом;

-разрабатываются измерительные приборы с микропроцессорами, измерительно-информационные системы и измерительно-вычислительные комплексы;

-расширяется состав агрегатированного комплекса средств электроизмерительной техники (АСЭТ), входящего в Государственную систему приборов (ГСП), и отвечающего требованиям всех видов совместимости (конструктивной, информативной, метрологической, энергетической, эксплуатационной и программной).

Особенно перспективны электронные измерительные средства, обеспечивающие высокие требования к измерениям. Например, экстремальный характер условий, в которых находится интересующий нас объект (высокие и низкие температуры и давления, агрессивные среды, крайне малые или, наоборот, очень высокие скорости протекания процессов, широкий диапазон измеряемых величин и т. п.).

2.СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

Программный материал включает изучение следующих тем.

Понятие о метрологии и измерении физических величин. Краткий исторический обзор развития метрологии и измерительной техники. Значение измерений и контроля в экспериментах, при испытаниях, в системах электроснабжения, на производстве, при технической диагностике и

6

прогнозировании состояния сложных объектов, при оценки качества продукции.

Основные метрологические термины, определения и их стандартизация. Основные и специальные разделы метрологии. Задачи научной, прикладной и законодательной метрологии. Развитие специальных разделов – техническая диагностика, квалиметрия, сертификация.

Определение измерений и контроля как информационных процедур. Требования к измерениям и контролю. Структурные схемы. Понятие о качестве измерения и достоверности контроля.

Классификация измерений по различным признакам. Методы измерений, их сравнительный анализ. Достоинства методов сравнения.

Иерархия средств измерений по точности. Назначение и виды эталонов и образцовых средств измерений. Группы рабочих средств измерений.

Метрологические параметры и характеристики рабочих средств измерений. Способы нормирования основных и дополнительных погрешностей средств измерений. Классы точности средств измерений. Градуировка, поверка, калибровка, юстировка средств измерений.

Функции Госкомитета по стандартизации, метрологии и сертификации. Виды нормативно-технической документации в области прикладной метрологии. Структура передачи единиц физических величин от эталонов к рабочим средствам измерений.

Классификация погрешностей измерений по различным признакам. Способы обнаружения исключения и уменьшения систематических погрешностей. Оценка погрешностей прямых и косвенных измерений. Принципы обработки результатов статистических наблюдений. Способы представления результатов измерений.

Виды, уровни и структурные схемы контроля. Метрологические и технико-экономические характеристики контроля. Способы нормирования контролируемых параметров.

Принципы действия, уравнения шкал, области применения, погрешности приборов электромеханической группы: магнитоэлектрических, электромагнитных, электродинамических, индукционных, электростатических.

Аналоговые приборы с преобразователями: выпрямительные, электронные. Измерительные возможности классных электронных осциллографов, калибраторы вертикального и горизонтального отклонений.

Метрологические и эксплуатационные достоинства приборов сравнения. Мостовые средства измерения R, L и С. Приборные и методические погрешности. Эксплуатационные достоинства автоматических мостов с регистраторами.

Потенциометры постоянного и переменного тока с ручным и автоматическим управлением.

Методы и средства измерения параметров магнитных полей.

7

Метрологические и эксплуатационные достоинства ЦИП. Принципы преобразования сигналов в АЦП. Структурные схемы цифровых частотомеров

имультиметров.

Виды информационно-измерительных систем. Их функциональные возможности и области применения.

3. САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА И КОНТРОЛЬ ЗНАНИЙ СТУДЕНТОВ

Самостоятельная работа студентов включает изучение материала учебного пособия и выполнение двух контрольных работ.

Варианты контрольных работ приведены в рабочей тетради, которая прилагается к данному учебному пособию.

Контроль знаний студентов осуществляется на основании тестирования. Тесты приведены в рабочей тетради.

4. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

1.Электрические измерения. Общий курс / Под ред. И. В. Фремке.- М.:

Энергия, 1980. - 391 с.

2.Основы метрологии и электрические измерения / Под ред. Е. М. Душкина. - Л. : Энергоатомиздат, 2007. - 480 с.

3.Куликовский К. Л., Купер В. А. Методы и средства измерений. - М.: Энергоатомиздат, 2006. - 448 с.

4.Электрические измерения: Учеб. пособие для вузов / Под ред. В. Н. Малиновского. - М.: Энергоатомиздат, 2015. - 416 с.

5.Евтихиев Н. Н. и др. Измерение электрических и неэлектрических величин: Учеб. пособие для вузов. - М.: Энергоатомиздат,1990. - 352 с.

6.Тартаковский Д.Ф. Метрология, стандартизация и технические средства измерений: Учеб. для вузов/ Д.Ф. Тартаковский, А.С. Ястребов. – М.: Высш.

шк., 2002. – 205 с.

8

ГЛАВА 1 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕТРОЛОГИИ, ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ И ТЕХНИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ

1.1.МЕТРОЛОГИЯ И ЕЕ СОСТАВНЫЕ ЧАСТИ

1.2.ХАРАКТЕРИСТИКА ИЗМЕРЕНИЙ

ИКОНТРОЛЯ, ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЕ

1.3.СПОСОБЫ ЧИСЛОВОГО ВЫРАЖЕНИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ И ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ

1.4.КЛАССИФИКАЦИЯ ИЗМЕРЕНИЙ, МЕТОДОВ

ИСРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

1.5.НОРМИРОВАНИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

1.6.СПОСОБЫ НОРМИРОВАНИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ, КЛАССЫ ТОЧНОСТИ

Рассмотрены основные термины и определения прикладной метрологии, методы измерений и виды измерительных средств, их метрологические характеристики и способы нормирования погрешностей.

Цель главы – ознакомиться с назначением и задачами метрологии, с терминами, определениями и решаемыми задачами ее прикладных разделов. Изучить принципы (способы) и методы измерений, виды и группы рабочих средств измерений и их метрологические характеристики. Изучить способы нормирования пределов допускаемых погрешностей рабочих мер, измерительных приборов и преобразователей и способы числовых выражений погрешностей, точности и достоверности измерений.

ПОСЛЕ ИЗУЧЕНИЯ ГЛАВЫ НЕОБХОДИМО ЗНАТЬ

Разделы метрологии и их задачи.

Достоинства измерений и технического контроля перед другими эмпирическими процедурами. Требования к измерениям.

Понятие точности как важнейшей характеристики качества измерений и ее частные характеристики.

Методы измерений и группы технических измерений.

Классификацию средств измерений по точности и виды рабочих средств измерений.

Метрологические характеристики и способы нормирования погрешностей рабочих средств измерений.

Ряды чисел, применяемых для обозначения классов точности.

Способы числового выражения погрешностей и точности.

Метрологические процедуры: калибровка, градуировка, поверка, юстировка.

9

1.1. МЕТРОЛОГИЯ И ЕЕ СОСТАВНЫЕ ЧАСТИ

Впервом русском учебнике по основам метрологии (автор Петрушевский, середина века) дано следующее определение:

Метрология есть описание всякого рода мер по их наименованиям, подразделениям и взаимным отношениям.

Внастоящее время объектом метрологии являются все единицы физических величин (механические, акустические, электрические, тепловые, световые).

Современная метрология, опираясь на достижения различных наук, сама является наукой и определяется уже не как “описание”, а как учение об единицах физических величин и эталонах.

Всовременной метрологии используются основные положения и достижения таких областей научных знаний, как теория связи, теория информации, техническая кибернетика, электроника, вычислительная техника, наконец, таких разделов математики, как теория вероятности и математическая статистика. Эти обстоятельства отражены в определении:

Метрология – это наука об измерениях, обеспечении их единства, о методах и средствах достижения требуемой точности.

Без метрологии невозможно получение необходимого качества контрольно-измерительной информации, так как любое исследование в области точных наук и техники теряет смысл, если его результаты недостоверны и несопоставимы с другими результатами. В производстве без метрологии невозможны стандартизация и унификация изделий, развитие автоматизации технологических операций. При этом неизбежно требование совместного проектирования технологии и контрольно-измерительной оснастки, встроенной

втехнологическое оборудование.

Основные разделы современной метрологии:

-научная метрология;

-законодательная метрология;

-прикладная метрология;

-специальные разделы:

-техническая диагностика;

-квалиметрия.

Научная метрология решает проблемы общей теории измерений, единиц физических величин и их систем, эталонирование и передачи размеров единиц от эталонов к образцовым средствам измерений, проблемы обеспечения единства измерений и единообразия средств измерений (СИ). Метрологами разработаны и внедрены: Государственная система измерений (ГСИ), и Государственная система приборов (ГСП), разрабатываются единая система контроля и единая система испытаний. В перспективе планируется создание единой системы научных исследований.

10