Тема 1 Сутність і зміст метрології

За характером зміни вимірюваної величини в часі вимірювання можна розділити на статичні та динамічні.

Статичні вимірювання – це вимірювання, при яких протягом певного проміжку часу вимірювана величина майже не змінюється або ж її значення змінюється поступово відповідно до процесу виробництва. Статичні вимірювання використовуються, як правило, для встановлення взаємозв’язку між фізичними величинами одного і того самого об’єкта дослідження. Вони застосовуються у пасивних експериментах і забезпечують задовільний рівень наочності при зміні вимірюваних величин за певний проміжок часу (годину, зміну, добу). Таким, наприклад, є проведення пасивного експерименту на випарній установці для вимірювання основних її параметрів: температури, рівня, тиску, витрати пари тощо.

Динамічні вимірювання – вимірювання, які показують зміну вимірюваної величини в часі при різних умовах, що впливають на об’єкт дослідження або ж на засіб вимірювання. Динамічні вимірювання дають можливість вивчати динамічні властивості об’єкта і засобів вимірювальної техніки.

Методи вимірювань. Під методом вимірювань розуміють сукупність способів використання засобів вимірювальної техніки та принципу вимірювань для створення вимірювальної інформації. А принципом вимірювання називають сукупність явищ, на яких засноване вимірювання, наприклад, вимірювання температури з використанням термоелектричного ефекту.

Послідовність вимірювальних операцій, що забезпечує вимірювання згідно

зобраним методом, називають процедурою вимірювань. А сукупність процедур і правил, виконання яких забезпечує одержання результатів з потрібною точністю, називають методикою виконання вимірювання.

До прямих методів вимірювання відносяться: метод безпосередньої

оцінки, метод порівняння з мірою, метод протиставлення, нульовий (компенсаційний), диференційний та ін.

Метод безпосередньої оцінки полягає в тому, що вимірювана величина визначається безпосередньо за показниками шкали вимірювального приладу (наприклад, вимірювання атмосферного тиску, температури, вологості повітря). Вимірювання цим методом проводяться дуже швидко і не вимагають високої кваліфікації, оскільки не потрібно виконувати складні обчислення. Проте точність таких вимірювань невелика через вплив зовнішнього середовища та розмірів шкали приладу.

При проведенні точніших вимірювань слід користуватися методом порівняння з мірою, який полягає в тому, що вимірювана величина порівнюється

звеличиною, відтвореною мірою. Результат вимірювання визначається як сума значень порівняльної міри та показів вимірювального приладу або приймається рівним значенню міри (наприклад, аналітичні ваги).

Метод протиставлення – це метод порівняння з мірою, коли вимірювана і відтворена мірою величини одночасно діють на прилад порівняння, за допомогою якого визначається співвідношення між цими величинами. Значення шуканої величини визначається після досягнення рівноваги за значенням зрівноважуючої величини. Наприклад, на важільних вагах маса зваженого вантажу визначається за масою поставлених ваг.

Нульовий (компенсаційний) метод полягає у порівнянні вимірюваної величини з мірою, а результуючий ефект дії величин на прилад доводиться до

нуля. Цей метод широко використовується в автоматичних вимірювальних приладах: автоматичних мостах, потенціометрах, аналізаторах рідин, газів та ін. На результати вимірювань, як правило, майже не впливають зовнішні чинники і джерело живлення вимірювальних електричних схем.

Диференціальний (різницевий) метод полягає в тому, що вимірювальним приладом визначається різниця між вимірюваною величиною і величиноюмірою. Наприклад, вимірювання надмірного тиску в апаратах відносно атмосферного тиску за допомогою диференціального манометра типу ДМ.

Метод збіжності є різновидом методу порівняння з мірою і полягає в тому, що різниця між шуканою і відтвореною мірою величинами вимірюється за збігом шкал або періодичних сигналів. Цей метод використовується при вимірюванні точних сигналів часу, частоти обертання тощо. Крім перелічених методів, у метрологічній практиці використовуються багато інших: інтерферентний – для точних вимірювань лінійних величин, фотоелектричний – у машинобудуванні та ін.

Класифікуючи методи вимірювань, професор А.Д. Нестеренко поділяє їх на методи одночасного та різночасного порівняння. Методи різночасного порівняння часто називають методами безпосереднього оцінювання на цій підставі, що вони ґрунтуються на використанні вимірювальних приладів із заздалегідь проградуйованими в одиницях вимірюваної величини шкалами. До методів безпосереднього оцінювання належать прямі вимірювання, за винятком методів, заснованих на безпосередньому порівнянні розміру вимірюваної величини з розміром величини, що відтворюється мірою (вимірювання довжини за допомогою лінійки з поділками).

Методи, засновані на одночасному порівнянні, об'єднані загальною назвою методів порівняння. До них належать згідно з ДСТУ2681-94: метод зіставлення, метод збігу, метод зрівноваження з регульованою мірою та диференційний метод.

Суть методу зіставлення полягає у прямому вимірюванні з одноразовим порівнянням вимірюваної величини зі всіма вихідними величинами багатозначної нерегульованої міри, наприклад, вимірювання довжини лінійкою з поділками, вимірювання інтервалу часу годинником.

Метод збігу (метод ноніуса) – це метод прямого вимірювання з одноразовим порівнянням вихідних величин двох багатозначних нерегульованих мір, з різними за значенням ступенями, нульові позначки яких зсунуті між собою на вимірювану величину. Прикладом такого методу вимірювань може бути вимірювання лінійного розміру (діаметра) за допомогою штангенциркуля з ноніусом (рис. 1.12). Основна шкала проградуйована в міліметрах, а шкала ноніуса має 10 поділок по 1.8 мм. Тому порядковий номер поділки ноніуса, що збігається з будь-якою поділкою основної шкали, дає число десятих часток міліметра.

Метод подвійного збігу (метод коінциденції, соіnсіdеnсе – збіг) – це метод прямого вимірювання з одноразовим порівнянням двох квантованих фізичних величин: вимірюваної та відтворюваної багатозначною нерегульованою мірою, наприклад, вимірювання інтервалу часу Тх з використанням послідовності періодичних імпульсів з відомим значенням їх періоду Т0 (рис. 1.13).

Рис. 1.12. До вимірювання за методом збігу (ноніуса)

Рис. 1.13. До вимірювань за методом подвійного збігу

Метод зрівноваження з регульованою мірою (нульовий метод, null method of measurement) – це метод прямого вимірювання з багаторазовим порівнянням вимірюваної величини та величини, що відтворюється регульованою мірою до їх повного зрівноваження, як, наприклад, вимірювання електричної напруги компенсатором.

Суть диференційного, або різницевого методу полягає у вимірюванні, при якому невелика різниця між вимірюваною величиною та вихідною величиною одноканальної міри вимірюється відповідним засобом вимірювань.

Особливо цікавим з погляду досягнення високої точності вимірювань є метод заміщення. Це метод непрямого вимірювання з багаторазовим порівнянням до повного зрівноваження вихідних величин вимірювального засобу при почерговій дії на його вході вимірюваної величини та регульованої міри. Іншими словами, суть цього методу полягає у порівнянні вимірюваної величини з мірою заміщенням цієї вимірюваної величини відомою величиною, відтворюваною мірою. При цьому методі передбачається запам'ятовування ефекту дії на засіб вимірювань вимірюваної величини (тобто запам'ятовування значення вихідної величини вимірювального засобу), що потім відновлюється при заміщенні вимірюваної величини регульованою багатозначною мірою.

Прикладом може бути вимірювання за допомогою порівняно неточного моста з використанням як заміщуючого засобу (міри) зразкового магазину опорів. Метод заміщення в цьому випадку дозволяє майже повністю виключити похибку моста з результату вимірювань.

Дуже наочним прикладом використання методу заміщення є зважування маси тх її урівноваженням масою т0 до одержання певного показу відлікового пристрою з наступним заміщенням маси тх масою mN, значення якої плавно регулюється до досягнення попереднього показу відлікового пристрою (рис. 1.14). Похибка зважування у цьому випадку визначається лише похибкою регульованої міри, а похибка від недосконалості ваги (наприклад, неточність виконання довжин плеч коромисла) виключається.

Рис. 1.14. До вимірювань за методом заміщення Об'єктами вимірювань можуть бути як групи об’єктів, так і окремі об’єкти,

процеси, що відбуваються, параметри тощо. Вимірювання поділяються на дві великі групи: органолептичні та інструментальні.

Органолептичними вважаються такі вимірювання, які засновані на застосуванні засобами вимірювань органів чуття людини, цих унікальних вимірювальних систем, створених природою. У товарознавстві продовольчих продуктів органолептична оцінка властивостей отримала дуже широке застосування. І не тільки завдяки її простоті, доступності та швидкодії, але й, головним чином, тому, що для оцінки цілого ряду таких властивостей продуктів, як смак, запах, зовнішній вигляд, форма та інші, немає інших способів вимірювання, окрім органолептичних. Або вимірювання їх інструментальними методами дуже складне й економічно недоцільне, наприклад, визначення кольору, прозорості, консистенції і деяких інших.

Органолептичні вимірювання можна підрозділити:

–за видом органів чуття – візуальні, смакові, дотикові, нюхові, гравітаційні, акустичні;

–за рівнем психічних явищ, на яких базуються вимірювання, відчуттів, вражень, інтуїції;

–за рівнем кваліфікації особи, що здійснює оцінку, – рядової, експертної;

–за кількістю осіб, що беруть участь в оцінці, – одиночні, групові. Інструментальними вважаються вимірювання, виконані за допомогою

спеціальних технічних засобів. Вони також широко використовуються у товарознавстві. Основними характеристиками цих вимірювань є: принцип, метод, похибка, правильність, точність і якість вимірювань.

Інструментальні вимірювання можна класифікувати за такими ознаками:

–за принципом, покладеним в основу вимірювань, – механічні, електричні, акустичні, оптичні, радіофізичні, магнітні та ін.;

–за характеристикою точності – рівноточні, нерівноточні;

–за числом вимірювань – однократні, багатократні;

–за стабільності вимірюваної величини – статичні, динамічні;

–за призначенням – технічні, метрологічні;

–за способом виразу результату – абсолютні, відносні;

–за способом отримання результатів (за видом рівняння вимірювань) – прямі, непрямі, сумісні й сукупні.

Принципом вимірювань називають фізичний ефект, явище або їх сукупність, покладені в основу вимірювання тим або іншим типом засобів вимірювань. Однотипні засоби вимірювань, хоча й мало, але все ж відрізняються

за точністю. Виготовити, зібрати і настроїти абсолютно однаково два

вимірювальних пристрої просто неможливо. Для більшості геодезичних вимірювань, дотримання таких умов є обов'язковим.

На процес вимірювання впливають:

-специфіка об'єкта вимірювання;

-психофізіологічний стан і кваліфікація суб'єкта вимірювання, тобто виконавця;

-особливості мірного приладу, за допомогою якого виконавець здійснює вимірювання;

-особливості методу вимірювання, що визначає вимірювальний процес;

-специфіка зовнішнього середовища, у якому перебігає процес вимірювання.

Якщо вимірювання тієї самої величини виконуються тільки один або декілька раз, такі вимірювання називаються однократними.

За точністю, яку забезпечують сучасні засоби вимірювань, однократного вимірювання буває цілком достатньо (наприклад, лазурні тахеометри, похибка не перевищує 2" ).

В окремих випадках для більшої точності результату можуть виконуватися два, три і більше вимірювань, наприклад, півприйомами. Такі вимірювання називаються відповідно дво-, трикратними, а при числі вимірювань чотири і більше (n ≥ 4) – багатократними. За результат багатократного вимірювання зазвичай приймають середнє арифметичне значення результатів окремих вимірювань цього ряду.

Багатократні вимірювання значно точніші за своїми результатами. Проте вони і більш трудомісткі, менш продуктивні, а отже, більш вартісні, тому проведення їх не завжди доцільне. У товарознавчій практиці такі вимірювання проводяться або в суперечних, конфліктних ситуаціях, або з дослідницькою метою.

Проведення багатократних вимірювань не завжди й можливе. У тих випадках, коли вимірювана величина не стабільна в часі, швидко змінюється під час її вимірювання, то двічі виміряти її неможливо. Вимірювання таких величин називають динамічними, а зміна фізичної величини в часі - процесом.

Вимірювання величин, значення яких за час вимірювання можна вважати незмінними (або цими змінами можна нехтувати), називають статичними. Такими вважають вимірювання довжини, площі, маси, кількості речовини та ін.

Вимірювання класифікуються за кількістю вимірювань:

необхідні – дають тільки один результат прямого вимірювання, непрямого вимірювання або тільки одне значення функції вимірюваних величин.

надлишкові – вимірювання, виконані понад необхідні, які дозволяють отримати два і більше значення вимірюваної величини або два і більше значень функції.

Необхідні вимірювання:

одноразове вимірювання довжини лінії мірною стрічкою або далекоміром; вимірювання горизонтального кута теодолітом одним напівприйомом; визначення тахеометром перевищення із станції на рейковий пікет; визначення координат точки засічкою за двома вимірюваними кутами; n-1 вимірюємих ліній і кутів у теодолітному ході з n-точок.

Надлишкові вимірювання дозволяють:

-здійснити контроль вимірів;

вимірювань у військовій сфері користуються атестованими методиками виконання вимірювань, які розробляють висококваліфіковані спеціалісти – військові метрологи.

Під методами вимірювання (рис. 1.15) розуміють сукупність способів використання засобів вимірювальної техніки (ЗВТ) та різних принципів вимірювань з метою створення вимірювальної інформації.

Рис. 1.15. Методи вимірювань фізичних величин Для одержання повної картини методів вимірювання їх необхідно чітко

розрізняти та класифікувати за різними ознаками.

Абсолютними та відносними називають вимірювання ФВ за наявністю або відсутністю розмірності у цих величинах.

Ненадлишковими називають лише одноразові вимірювання ФВ, коли співвідношення між кількістю виміряних величин та кількістю вимірювань збігається.

Надлишковими називають вимірювання, які виконуються або одноканально багаторазово, або багатоканально одноразово з метою зниження рівня випадкових похибок за рахунок усереднення.

Серед різних видів вимірювань ФВ найточнішим за інших рівних умов є пряме вимірювання, тому насамперед детально розглянемо класифікацію методів прямих вимірювань.

Зіставлення – це метод прямого вимірювання з одноразовим порівнянням вимірюваної величини з усіма вихідними величинами багатозначної міри, яка не регулюється. Наприклад, вимірювання довжини лінійкою з поділками, вимірювання інтервалу часу годинником. Цей метод забезпечує максимальну швидкодію вимірювання, наприклад, електричної напруги та механічних переміщень. Його покладено в основу побудови цифрових хронометрів, частотомірів, швидкодійних цифрових вольтметрів, цифрових вимірювачів індуктивності.

Метод одного збігу (метод ноніуса) – це метод прямого вимірювання з одноразовим порівнянням вихідних величин двох багатозначних нерегульованих мір, з різними за значенням ступенями, нульові позначки яких зсунуті між собою на вимірювану величину. Наприклад, вимірювання довжини за допомогою двох лінійок з поділками, ціна поділок яких знаходиться в певному відношенні. Вимірювання часу за допомогою двох послідовностей періодичних імпульсів, періоди яких знаходяться в певному співвідношенні.

При вимірюванні нульові позначки мір зсувають на вимірювану величину X , а потім визначають її числове значення за номером найближчої позначки, що збігається. Таким чином, завдяки надлишковості методу ноніуса (замість однієї

багатозначної нерегульованої міри використовуються дві), ступінь квантування «зменшується» X в n разів. Це можна трактувати також як «збільшення» розміру величини у n разів. Метод ноніуса використовується тоді, коли неможливо створити міру з надто малими ступенями (наприклад, лінійку з поділками 0,1 мм).

Метод подвійного збігу (коінциденції) – це метод прямого вимірювання з одноразовим порівнянням двох квантованих фізичних величин: вимірюваної та відтворюваної величини з багатозначною нерегульованою мірою. Наприклад, вимірювання інтервалів часу при військових діях, або знаходження відстаней до об’єкта за допомогою, відповідно, послідовності періодичних імпульсів з відомим значенням їх періоду або далекомірів з відомим значенням поділок.

Метод зрівноваження – це пряме вимірювання ФВ з багаторазовим порівнянням та величини, що відтворюється регульованою мірою, до їх повного зрівноваження. Наприклад, встановлення нульової позначки у багатьох військових приладах, зокрема, виставлення нульових показів при горизонтуванні та вертикалюванні вимірювальних пристроїв (бусоль, нівелір, далекомір та ін.), в електротехніці – вимірювання електричної напруги компенсатором.

Диференційний (різницевий) метод – це метод вимірювання, за яким невелика різниця між вимірюваною величиною та вихідною величиною одноканальної міри вимірюється відповідним засобом вимірювання.

У загальному випадку значення вимірюваної величини X може відрізнятися від величини XN, що відтворює міра M. Диференційний метод забезпечує високу точність вимірювання, якщо зразкова величина XN відтворюється мірою з

застосування нульового методу є вимірювання параметрів електричного кола мостовими схемами, вимірювання напруги або струму компенсатором та ін.

Застосування непрямих вимірювань як більш складних останнім часом значно поширилось.

Метод непрямого опосередкованого вимірювання полягає у використанні перетворення вимірюваної величини Х в іншу фізичну величину, для якої створені засоби вимірювання. Цей метод реалізовано, наприклад, в магнітоелектричному вольтметрі, ртутному термометрі та в багатьох інших засобах вимірювань.

Ще одним методом непрямого опосередкованого вимірювання, в якому також використано вимірювальний перетворювач роду вимірюваної величини, є метод заміщення, який полягає у непрямому вимірюванні з багаторазовим порівнянням вихідних величин вимірювального перетворювача і почерговим перетворенням ним вимірюваної та вихідної величини регульованої міри до повного зрівноваження. Цей метод застосовують у тому випадку, коли для величини X не створені компаратори, але створені регульовані одноканальні міри.

Міра – це вимірювальний пристрій, що реалізує відтворення та (або) зберігання фізичної величини заданого розміру. За кількістю вихідних каналів міри поділяються на однота багатоканальні, а за регульованістю вихідної

величини на регульовані та нерегульовані.

При нерегульованій вихідній величині міра відтворює величину одного сталого заданого значення. Наприклад, конденсатор постійної ємності, котушка індуктивності та ін.

Одноканальна регульована багатозначна міра відтворює величину одного значення у даний момент часу. У цій мірі здійснюється часове розподілення вихідних величин міри, зміна якої може бути різною. Наприклад, цифроаналоговий перетворювач код-напруга (ЦАП). Цей перетворювач має можливість працювати з багатоканальною нерегульованою багатозначною мірою, що відтворює одночасно декілька однорідних величин із заданими і сталими значеннями. Наприклад, подільник напруги з багатьма виводами.

При багатоканальній керованій регульованій багатозначній мірі, що відтворює одночасно декілька однорідних величин розміри яких можуть змінюватися, застосовується «просторовий» і «часовий» розподіл.

Одним із основних положень сучасної теорії вимірювальних пристроїв є положення про вимірювальне перетворення. Вимірювальне перетворення ФВ – це вимірювальна операція, під час якої вхідна фізична величина перетворюється у вихідну, функціонально з нею пов’язану.

Головна задача вимірювальних перетворень полягає в одержанні вихідних ФВ та залежностей між ними, зручних для порівняння і відтворення. До вимірювального перетворення фізичних величин у загальному випадку належать: лінійне (масштабне) та нелінійне перетворення ФВ без зміни її роду; лінійне та нелінійне перетворення ФВ зі зміною її роду. До вимірювального перетворення залежності між величинами належать: модуляція та демодуляція; масштабночислове перетворення сигналу; детектування; кореляційне перетворення; дискретизація; спектральне перетворення; осцилографічне перетворення; інтегрування; диференціювання тощо.

Завдяки вимірювальному перетворенню досягається узгодження роду фізичної величини, границь зміни і частотного діапазону сигналів. Вимірювальне перетворення багатьох фізичних величин є складним завданням, а вимірювальний перетворювач – часто основною за складністю ланкою всього засобу вимірювання.

Порівнянням називається вимірювальна операція, що полягає у співвідношенні між розмірами двох однорідних фізичних величин відповідним висновком: більша, менша чи однакова за розміром. Порівняння величин широко використовується в різноманітних процедурах: вимірюванні, контролі, розпізнаванні образів, об’єктів, керуванні процесами у техніці та ін.

Класифікація вимірювальних приладів

На базі державної системи метрологічної діяльності аналогічно функціонує і геодезична мерологія.

На практиці під час проведення геодезичних робіт необхідно використовувати спеціальні методи, які пов’язані з цільовим призначенням вимірювань.

Засоби вимірювальної техніки – це технічні засоби, які застосовуються під час вимірювань і мають нормовані метрологічні характеристики. До засобів вимірювальної техніки відносять засоби вимірювань і вимірювальні пристрої.

Вимірювальні пристрої включають аналогові та цифрові вимірювальні прилади; засоби реєстрації вимірювань; аналого-цифрові перетворювачі;

вимірювальні канали; вимірювальні системи; вимірювальні інформаційні системи.

Вимірювальним пристроєм називається засіб вимірювальної техніки, в якому виконується лише одна зі складових процедури вимірювань (вимірювальна операція). До вимірювальних операцій відносять: міру; вимірювальний перетворювач; масштабний перетворювач; компаратор; числовий вимірювальний перетворювач.

Вимірювальний прилад – це засіб вимірювань, в якому створюється візуальний сигнал вимірювальної інформації.

Аналоговий вимірювальний прилад – це прилад, в якому візуальний сигнал вимірювальної інформації подається за допомогою шкали та вказівника.

Цифровий вимірювальний прилад – це прилад, в якому візуальний сигнал вимірювальної інформації подається у вигляді цифр чи символів на цифровому екрані.

Аналого-цифровий перетворювач – це засіб вимірювань, в якому створюється кодовий сигнал вимірювальної інформації.

Реєструвальний засіб вимірювання – це засіб вимірювання, в якому реєструється сигнал вимірювальної інформації.

Вимірювальний канал – це сукупність засобів вимірювальної техніки, засобів зв’язку та інших технічних засобів, призначена для створення сигналу вимірювальної інформації про одну вимірювану фізичну величину.

Вимірювальна система включає сукупність вимірювальних каналів, вимірювальних пристроїв та інших технічних засобів, об’єднаних для створення компонованих сигналів вимірювальної інформації про декілька різних фізичних величин.

Вимірювальна інформаційна система – це сукупність засобів вимірювальної техніки, засобів контролю, діагностування та інших технічних засобів, об’єднаних для створення сигналів вимірювальної та інших видів інформації.

Розподіл вимірювань на окремі вимірювальні операції та детальний розгляд особливостей засобів вимірювальних процедур дає можливість аналізу і синтезу методів вимірювання в тісному зв’язку зі структурами засобів вимірювань.

Відтворення фізичної величини – це процедура, що полягає у створенні та зберіганні фізичної величини заданого значення. Відтворення є найважливішою операцією вимірювання, тому що в основному визначає ступінь його досконалості, тобто точність. Засіб відтворення фізичної величини в метрології називають мірою.

1.5. МЕТРОЛОГІЧНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ЄДНОСТІ ВИМІРЮВАНЬ. ЕТАЛОНИ

Державна система забезпечення єдності вимірювань – комплекс встановлених стандартних правил, положень, норм, які визначають організацію і методику проведення робіт з оцінювання та забезпечення точності вимірювань в усіх галузях господарства країни.

Завдання державної системи забезпечення єдності вимірювань: формування системи державних еталонів одиниць ФВ