Тема 1 Сутність і зміст метрології
.pdfвстановлення одиниць ФВ розробка методів і засобів передавання розмірів одиниць ФВ
впровадження норм і правил законодавчої метрології і документів проведення державних випробувань, повірки, калібрування і метрологічної
атестації ЗВТ розробка й атестація методик виконання вимірювань
проведення метрологічної експертизи нормативної, конструкторської, технологічної, проектної документації
проведення акредитації метрологічних служб, вимірювальних, випробувальних, аналітичних та інших лабораторій на право виконання метрологічних робіт.
Головна мета – забезпечити оцінку точності результатів вимірювань у державі з гарантованою імовірністю.
Державний метрологічний контроль і нагляд в Україні здійснюється
Державною метрологічною службою України, яку очолює
Держспоживстандарт України.
До складу Державної метрологічної служби України входять Державне науково-виробниче об’єднання «Метрологія» державна служба єдиного часу і еталонних частот державна служба стандартних зразків речовин та матеріалів державна служба стандартних довідкових даних та інші підрозділи
Окрім державних існують також відомчі метрологічні служби. Законодавчо-нормативне забезпечення єдності вимірювань:
Закон України «Про метрологію та метрологічну діяльність» введений в
дію з 11 лютого 1998 р. (зі змінами).
Міра - засіб вимірювань, призначений для відтворення фізичної величини заданого розміру.
Деякі заходи є тілами певної форми, виготовленими з необхідною ретельністю. Наприклад, кінцеві міри довжини, гирі, вимірювальні колби. Інші заходи являють сукупність багатьох деталей з певною взаємозв'язком (нормальний елемент, вимірювальний конденсатор, генератор стандартних сигналів), але не це є характерним для заходів та їх ролі в вимірах. Згадаймо будь-який процес вимірювання. Відносно рідко порівнюють вимірювану величину з заходом, значення якої дорівнює одиниці. На важільних терезах порівнюють масу зважується тіла з масою гир 0,1; 0,2; 0,5; 1; 2; 5 кг. Отже, будьяка з цих гир або їх комбінація в процесі вимірювання може стати вихідною для визначення вимірюваної маси. Таким чином, міра відтворює величини, значення яких пов'язані з прийнятою одиницею цієї величини певним, відомим співвідношенням. Міра - це, як правило, основа вимірювань.
ЕТАЛОНИ. Для забезпечення єдності вимірювань необхідна чітка тотожність одиниць, в яких були б проградуйовані усі засоби технічних вимірювань однієї й тієї самої фізичної величини. Це досягається шляхом точного відтворення та збереження прийнятих на Міжнародній конференції з мір і ваги одиниць фізичних величин і передачі їх розмірів засобам вимірювань.
Відтворення, збереження та передача розмірів одиниць проводиться за допомогою еталонів та зразкових засобів вимірювань. Вищою ланкою у
метрологічному колі передачі розмірів одиниць вимірювання фізичних величин є еталони.
Еталон одиниці фізичної величини — це засіб вимірювальної техніки,
який забезпечує відтворення та зберігання одиниці фізичної величини та передавання її розміру відповідним засобам, що стоять нижче за повірочною схемою, офіційно затверджений як еталон.
Всі основні одиниці фізичних величин відтворюються з найвищою точністю за допомогою міжнародних еталонів відповідних одиниць і зберігаються у Міжнародному бюро мір та ваги у спеціальних лабораторіях у м. Севра поблизу Парижа. Програмою діяльності Міжнародного бюро мір та ваги передбачені систематичні міжнародні зіставлення національних еталонів великих метрологічних лабораторій різних держав з міжнародними еталонами та між собою.
Еталони метра та кілограма звіряються раз на 25 років, електричні та світлові еталони (ампера, вольта, ома, кандели та ін.) — раз на 3 роки. Проводяться також епізодичні міжнародні звіряння еталонів джерел іонізаційного випромінювання, платинових термометрів опору, температурних ламп та ін.
Основне призначення еталонів — бути матеріальною базою для відтворення та збереження одиниць фізичних величин.
Класифікація еталонів. Міжнародні та національні еталони поділяються на первинні та вторинні еталони.
Первинним називається еталон, за допомогою якого відтворюється одиниця фізичної величини з найвищою точністю відповідно у світі й державі. За точністю відтворення одиниці він є найточнішим. Первинні еталони одиниць основних фізичних величин відтворюють одиниці відповідно до їхнього визначення, прийнятого Міжнародною конференцією з мір та ваги. Наприклад, первинний еталон метра у довжинах світлових хвиль випромінювання криптону86.
Для відтворення одиниць в особливих умовах, в яких пряма передача розміру одиниці від еталонів технічно неможлива із заданою точністю (високий тиск, температура, частота та ін.), розробляються та затверджуються спеціальні
еталони.
Первинні та спеціальні еталони офіційно затверджуються для держави як первинні і називаються державними еталонами. Державні еталони затверджуються Держстандартом, і на кожний з них ухвалюється державний стандарт.
Державні еталони зберігаються у метрологічних інститутах або центрах держави, а для проведення робіт з ними призначаються відповідальні вчені, зберігачі еталонів.
У метрологічній практиці широко використовують вторинні еталони, значення яких встановлюється за найточнішими первинними еталонами.
За своїм метрологічним призначенням вторинні еталони поділяються на еталони-копії, еталони передавання, еталони-свідки та робочі еталони.
Еталон-копія є вторинним еталоном, призначеним для зберігання одиниці та передачі її розміру робочим еталонам. Він не завжди може бути фізичною копією державного еталону.
Еталон передавання — вторинний еталон, який призначений для звіряння еталонів, котрі з тих чи інших причин не можуть безпосередньо звірятися один з одним. Прикладом еталону передавання може бути група нормальних елементів, яка використовується для звіряння державного еталона вольта з еталоном вольта Міжнародного бюро мір та ваги.
Еталон-свідок — вторинний еталон, призначений для повірки збереження державного еталона та для заміни його у разі псування або втрати. Еталон-свідок має найвищу серед вторинних еталонів точність та використовується лише тоді, коли державний еталон не можна відтворити.
Робочий еталон — вторинний еталон, призначений для збереження одиниці й передачі її розміру зразковим засобам вимірювальної техніки а в окремих випадках — робочим засобом вимірювальної техніки найвищої точності.
Державні еталони завжди представляють комплекс засобів вимірювань та допоміжних пристроїв, які забезпечують відтворення одиниці фізичної величини, а в необхідних випадках її збереження та передачу розміру одиниці вторинним еталоном.
Вторинні еталони можуть подаватися у вигляді комплексу засобів вимірювань, поодиноких і групових еталонів та еталонних приладів.
Поодинокий еталон складається з одного вимірювального засобу (міри, приладу), який забезпечує відтворення та збереження одиниці самостійно, без участі інших засобів вимірювання того самого типу. Прикладом поодинокого еталона є вторинний еталон одиниці маси — кілограм у вигляді платиноіридієвої та сталевої гирі.
Груповий еталон складається із сукупності однотипних засобів вимірювань, що використовуються як одне ціле для підвищення надійності збереження одиниці. Прикладом групового еталона є еталон-копія вольта у вигляді 20 нормальних елементів.
Вторинні еталони (робочі) використовуються у метрологічних інститутах, метрологічних територіальних органах Держстандарту України, а з дозволу Держстандарту України допускається їх зберігання та використання в органах відомчої метрологічної служби.
Учасники XXVI Генеральної конференції з мір та ваг, що прохола в Парижі, прийняли історичне рішення про перевизначення чотирьох із семи основних одиниць Міжнародної системи одиниць (СІ) — кілограма, ампера, кельвіна і моля. Нові визначення стануть чинними 20 травня 2019 року. З цього моменту всі одиниці системи СІ будуть прив'язані до фундаментальних фізичних констант.
Конференція також затвердила нове визначення ампера. Колишнє визначення, затверджене 1948 року, було засноване на вимірюванні сили, що діє на паралельні провідники зі струмом. Тепер вчені вирішили зафіксувати не тільки чисельне значення сталої Планка для кілограма, а й чисельне значення електричного заряду — для нового визначення ампера.
Одиниця температури — кельвін — до сьогоднішнього дня визначалася як ¹ / термодинамічної температури потрійної точки води. Це визначення мало свої незручності, оскільки у воді завжди є домішки важких ізотопів водню і кисню, які можуть значно зрушувати потрійну точку. Тому метрологам довелося створити окремий стандарт — Віденський стандарт усередненої океанської води.
Її рецепт виглядає так: 0,00015576 моля дейтерію на моль звичайного водню; 0,0003799 моля ¹ O на моль ¹ O, і 0,0020052 моля ¹ O на моль ¹ O. Крім того,
щоби визначати точні значення в інших діапазонах, вченим доводилося контролювати точки плавлення і кипіння кількох інших речовин. Нове визначення Кельвіна засноване на постійній Больцмана, яка тепер точно дорівнює 1,380649×10 ²³ Дж/K (джоулів на кельвін).
Моль до цього часу був прив'язаний до кількості атомів у 0,012 кг стабільного вуглецю-12, тобто був пов'язаний з масою. У новій версії системи СІ він буде визначений через зафіксовану постійну Авогадро, тобто буде рівний
6,02214076×10²³ частинок.
Рис. 1.16. Порівняння старої та нової систем відліку в СІ З 20 травня 2019 року основні одиниці системи СІ визначаються:
довжина: метр, що впроваджувався як ¹/ довжини меридіану від Північного полюса до екватора через Париж (виявилось, що це 0,99999995 нинішнього метра), дорівнює довжині шляху, який світло проходить у вакуумi за ¹/ секунди.
маса: кілограм, що впроваджувався як маса літра чистої води при температурі замерзання), визначається через сталу Планка h, яка точно дорівнює
6.62607015×10−34 Дж с (Дж = кг м2 с−2), та визначення метра і секунди.
час, секунда, що впроваджувалась як ¹/ доби (¹/ хвилини, що є ¹/ години, що є ¹/ доби), визначається як час, за який відбуваються точно 9 192 631 770 періодів випромінювання, що відповідають переходу між двома надтонкими рівнями незбудженого атома Цезію-133 при температурі нуль кельвін.
сила електричного струму, ампер, що впроваджувався як десята частина електромагнітної одиниці струму в системі СГС — струму, що протікає в дузі довжиною 1 см кола радіусом 1 см, що створює в центрі поле 1 ерстед, визначається через заряд електрона, який приймається як 1.602176634×10 ¹ Кл (кулон, Кл=А с)
термодинамічна температура: кельвін, що впроваджувався — яко температурний градус — як сота частина між температурою кипіння а температурою замерзання води, потім як ¹ / термодинамічної температури
потрійної точки води, визначається через кілограм метр і секунду через точне значення сталої Больцмана, яка точно дорівнює 1,380649 × 10 ²³ Дж/K.
кількість речовини: моль, що впроваджувалась як стехіометрична кількість, яка є еквівалентною масою в грамах числа Авогадро кількості молекул речовини, визначається через зафіксоване число Авогадро, рівне 6,02214076×10²³ моль ¹.
сила світла: кандела, що впроваджувалась з того, що ¹/ яскравості повного випромінювача (випромінювача Планка) при температурі тверднення платини на 1 см², визначається як сила світла у визначеному напрямку від джерела, що випромінює монохроматичне випромінювання з частотою 540×1012 герц та має інтенсивність випромінювання в цьому напрямку ¹/ ват на стерадіан.
В геодезії використовують наступні еталони: еталон дешифрування, геодезичний жезл тощо.
Еталони дешифрування — в геодезії — дешифровані в натурних умовах знімки, на яких зазначене положення типових для даних умов об'єктів.
Геодезичний жезл (рос. геодезический жезл, англ. geodetic rod, geodetic bar; нім. geodätischer Blockstab m) — взірцева міра довжини у вигляді стержня, виготовленого з інвару.
Застосовується як еталон для періодичного еталонування приладів, що використовуються для високоточних лінійних вимірювань у геодезії.
Поперечний переріз Ж.г. являє собою літеру «Н», вписану в квадрат зі стороною від 33 до 40 мм. Існують трьохметрові і чотирьохметрові жезли.
Для точних вимірів при встановленні і монтажі фізичного та технологічного обладнання застосовують також мірні жезли.
1.6. ОСОБЛИВОСТІ МЕТРОЛОГІЧНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ГЕОДЕЗИЧНИХ ВИМІРЮВАНЬ.
У кожній області науки і техніки, в різних галузях народного господарства вимірювання мають свої особливості. У зв'язку з цим всю величезну масу виконуваних вимірювань умовно поділяють залежно від галузі на фізичні, астрономічні, медичні, технологічні, товарознавчі та ін.
Умови геодезичних вимірів вважають однаковими, якщо:
-вимірювалися фізичні об'єкти одного і того ж роду;
-вимірювання здійснювалися виконавцями однакової кваліфікації;
-вимірювання проводилися однаковими за якістю приладами;
-застосовувався один і той же метод вимірів;
-стан зовнішнього середовища у процесі вимірів змінювався в однакових
межах.
Для більшості геодезичних вимірювань, дотримання таких умов є обов'язковим. Вимірювання, які видповідають цим умовам – рівноточні, якщо ні
–нерівноточні.
Також можна зустріти такі визначення:
Вимірювання, виконані однаковими за точністю засобами вимірювань і в тих же умовах, називаються рівноточними.
Вимірювання, виконані засобами, що розрізняються за точністю, різними операторами і (або) в різних умовах називаються нерівноточними.
На практиці однакова точність результатів вимірювань досягається тим, що вони проводяться протягом нетривалого часу на таких самих засобах вимірювань, однією особою за однакових умов. Проте це не завжди можливо. Однотипні засоби вимірювань, хоча й мало, але все ж відрізняються за точністю. Виготовити, зібрати і настроїти абсолютно однаково два вимірювальних пристрої просто неможливо. Способи математичної обробки рядів вимірювань різної точності не однакові.
На сучасній етапі розвитку геодезії до основних задач геодезичної метрології слід віднести:
вдосконалення технології передачі розмірів одиниць геодезичних величин від робочих еталонів до робочих засобів геодезичних вимірювань;
розробка та впровадження в контрольній практиці сучасних контрольновимірювальних засобів та контрольного обладнання;
формування та вдосконалення нормативної бази метрологічного забезпечення виробництва;
зберігання та підтримка в стані метрологічної готовності стандартів та всіх застосовуваних робітників СІ;
розробка та впровадження засобів геодезичних вимірів на рівні сучасних вимог;
розроблення та метрологічне атестація МВІ геодезичного призначення; розробка досконалих методів перевірки СІ-Г.
Термін «геодезична метрологія», був відомий давно і використовувався спеціалістами для позначення проблем, пов'язаних з дослідженням вимірювальних характеристик геодезичних приладів.
Класифікація геодезичних приладів.
Геодезичні прилади можна класифікувати за різноманітними ознаками:
1.за призначенням
2.за точністю
3.за конструктивними особливостями
4.за ступенем автоматизації будь-якої операції або комплексу операцій.
5.за характером інформації, яка одержується.
Що покладено в основу такої класифікації залежить від поставленої задачі метрологічного забезпечення.
З точки зору метрології серед геодезичних приладів можна виділити ЗВТ і прилади які не є вимірювальними.
Вимірювальні геодезичні прилади характеристики підлягають повірці і метрологічної атестації.
Класифікація геодезичних приладів за призначенням.
1.Кутомірні прилади: теодоліти вони бувають різні по типу оптичні, кодові, гідротеодоліти, екери, бусолі, екліметри, транспортири.
2.Прилади для вимірювання перевищень: нівеліри, мікронівеліри, гідростатичні і гідродинамічні системи прилади для задання площини.
3.Прилади для вимірювання ліній:далекоміри(оптичні далекоміри), електронні(світловіддалеміри і радіовіддалеміри), рулетки, стрічки мірні. Підвісні мірні прилади, найточніші-кінцеві міри.
4.Комбіновані:GPSсистемими, тахеометри, кіпригелі, мензули. 5.Допоміжні прилади: центрири ( оптичні, лазерні рейки)
По своїми метрологічним властивостям геодезичні прилади відносяться до багатозначних засобів вимірювання, які застосовуються для роботи у відносно широкому діапазоні простору.
До особливостей геодезичні приладів варто віднести наявність вбудованих елементів біжучого контролю формального стану і правильності проведення технологічних операцій. Ці елементи дозволяють проведення метрових обслуговувань геодезичні приладів як в стаціонарних так і в польових умовах.
Методи геодезичних вимірів – сукупність операцій (правил, прийомів) з виконання геодезичних вимірів відповідно до принципу вимірів, виконання яких забезпечує отримання результатів із заданою точністю,яка реалізовується.
-метод прямих геодезичних вимірів, за якого значення вимірюваної геодезичної величини отримують безпосередньо;
-метод непрямих геодезичних вимірів, за якого значення геодезичної величини визначають як функцію інших величин, отриманих безпосередньо;
-метод вимірів у всіх комбінаціях (комбінований метод) полягає в отриманні не лише геодезичних величин, розташованих між суміжними пунктами, але і їх різних поєднань (комбінацій);
-метод прийомів, полягає в неодноразових визначеннях однієї і тієї ж геодезичної величини за єдиною методикою.
-метод кругових прийомів полягає у вимірюванні кутів шляхом послідовного спостерігання візирних цілей, розташованих по колу з повторним спостеріганням першого (початкового) напряму;
-метод подвійних вимірів, полягає у виконанні однорідних геодезичних вимірів серіями, що складаються з двох прийомів (спостережень);
-метод повторень (метод реітерацій) полягає у визначенні n-кратного значення вимірюваної геодезичної величини і наступному обчисленні визначеного значення;
-метод вимірів "з середини" полягає в послідовному спостеріганні суміжних пунктів (точок) ходу, що прокладається, за допомогою приладу, розташованого між ними;
-метод вимірів "через точку" виконується при встановленні приладу або на парних, або на непарних пунктах ходу;
-багатоштативний метод вимірів, полягає в зниженні похибок центрування шляхом встановлення одночасно на декількох суміжних пунктах мережі штативів із підставками для розміщення в них візирних цілей або приладу.
Геодезичні виміри можна класифікувати за різними ознаками: призначення, точності, обсягу та характеру отриманої інформації, інструментальної природи отриманої інформації, з позицій можливостей подальшої обробки результатів, а також з точки зору взаємозалежності результатів вимірів.
При всьому різноманітті геодезичних вимірів всі вони зводяться в основному до трьох видів:
лінійні, у результаті яких на місцевості визначаються відстані між заданими точками;
кутові, коли визначаються значення горизонтальних і вертикальних кутів між напрямками на задані точки;
висотні (нівелювання), у результаті яких визначаються різниці висот окремих точок.
За одиницю лінійних і висотних вимірів (відстаней, висот і перевищень) у геодезії прийнятий метр, що представляє собою довжину жезла - еталона, виготовленого із платино-ірідієвого сплаву в 1889 р., що зберігається в Міжнародному бюро мір та вагів у Парижу. Копія № 28 цього жезла перебуває в НДІ метрології ім. Д. І. Менделєєва в Санкт-Петербурзі. Як еталон більше високої точності в цей час служить метр, прийнятий як довжина шляху, пройденого світлом за 1/299792548 частки секунди.
Одиницею для вимірів кутів (горизонтальних і вертикальних) служить градус, що представляє 1/90 прямого кута, або 1/360 окружності. Градус містить 60 кут. мін., мінута ділиться на 60 кут. с. У деяких країнах застосовують градову систему, у якій 1 град становить 1/400 окружності, градова хвилина - 1/100 град,
аградова секунда - 1/100 град. мін.
У сучасних автоматизованих кутомірних приладах одиницею вимірів служить гон, рівний 1 град або 54 кут. мін; тисячна його частка, рівна 3,24 кут. с, називається мілігон.
Сучасні геодезичні прилади класифікують:
–за функціональним призначенням:
теодоліти
нівеліри
світловіддалеміри
тахеометри прилади вертикального проектування
приймачі супутникового зв’язку GNSS
допоміжні засоби вимірювання та приладдя до них;
–за фізичною природою носіїв інформації:
механічні, оптико-механічні,
електронні та оптико-електронні;
–за умовами експлуатації:
лабораторні; польові.
Геодезичні прилади окремих видів допускається класифікувати за типом відлікових пристроїв, за конструкцією осьових систем, за типом зорових труб та іншими ознаками, які визначають конструктивні особливості.
Необхідні умови будь-якого виміру: об'єкт виміру; суб'єкт виміру - особа, що робить вимір; мірний прилад, яким виконують виміру; метод виміру - сукупність правил і дій, що визначають процес виміру; зовнішнє середовище, у якій виконують виміру.
Рис. 1.17. Схеми до способів визначення положення точки в плані Позначені на місцевості точки, від яких виконують геодезичні виміри,
називаються вихідними. Точки, положення яких на місцевості необхідно визначити, називають обумовленими.
Вихідні й обумовлені точки можуть розташовуватися в горизонтальній площині в плані (планові точки) і у вертикальній - по висоті (висотні точки).
Розглянемо основні геодезичні способи побудови, застосовувані для визначення положення точки в плані.
Потрібно визначити положення точки С відносно позначених на місцевості вихідних точок А і В.
Перший спосіб (рис. 1.17 а). Положення точки С можна визначити, якщо опустити із цієї точки перпендикуляр на пряму АВ, а потім виміряти відстань l від точки А до основи перпендикуляра й довжину перпендикуляра d. Відрізки l і d будуть координатами точки С. Таку побудову називають способом перпендикулярів.
Якщо пряму АВ прийняти за вісь абсцис прямокутної системи координат, перпендикуляр d буде ординатою обумовленої точки, а відстань l - її абсцисою. Тому спосіб називають також способом ординат.
Другий спосіб (рис. 1.17 б). Положення точки C визначається, якщо виміряти із точки А кут α й довжину АС - r. Такий спосіб називають способом полярних координат: полярні координати точки C - α й r; кут α - полярний, точка А - полюс, пряма АВ - полярна вісь, відрізок r - радіус-вектор.
Третій спосіб (рис. 1.17 в). Для визначення положення точки C відносно прямої АВ досить виміряти кути α й β із точок А і В. Цей спосіб називають
прямою кутовою засічкою (пряма АВ - базис засічки).
Четвертий спосіб (рис. 1.17 г). Положення точки С визначається, якщо виміряти кут α із точки А и кут γ з обумовленої точки С (спосіб бічної засічки).
П'ятий спосіб (рис. 1.17 д). Для визначення положення точки С можна виміряти довжину ліній АВ=b (спосіб лінійної засічки).
Шостий спосіб (рис. 1.17 е). Точка C перебуває на лінії АВ (у створі АВ) і
на відстані l від точки А (спосіб створно-лінійної засічки).
Ці побудови виконують, якщо відстані між точками порівняно невеликі і є безпосередня видимість між вихідними й обумовленими точками. Коли відстані між вихідними точками значні або потрібно знайти положення декількох точок, користуються більше складними побудовами.
Положення обумовленої точки С по висоті (рис. 1.18) знаходять, вимірявши її перевищення h над вихідною точкою А або кут нахилу ν лінії АС до горизонту й горизонтальне прокладання d (проекцію лінії АС на горизонтальну площину).
Рис. 1.18. Схема до способу визначення положення точки по висоті.
За призначенням розрізняють такі види геодезичні вимірювання: кутові, лінійні, нівелірні (виміри висот або вищих), довготні (виміри часу), гравіметричні.
Кут - це властивість, що характеризує поворот від початкового до кінцевого положення рухомого променя, який виходить з точки, що зветься вершиною.
Довжина - властивість відрізка прямої, ламаної або кривої лінії. При цьому за довжину ламаної приймають суму довжин відрізків окремих її ланцюгів, а за довжину кривої - межу, до якої наближається вписана в цю криву ламана лінія при необмеженому збільшенні числа її ланцюгів, коли довжина найбільшого ланцюга наближається до нуля. Під довжиною при топографо - геодезичних вимірюваннях розуміють горизонтальну або похилу довжину прямої, а також висоту або перевищення однієї точки над іншою.
Нівелірні вимірювання – польові вимірювальні роботи, в результаті яких визначають перевищення між окремими точками з наступним обчисленням.
Відомо кілька видів нівелювання: геометричне, тригонометричне, фізичне, механічне і фотограмметричне.
Геометричне нівелювання виконують горизонтальним променем зору. При цьому застосовують прилади - нівеліри і нівелірні рейки.
Тригонометричне нівелювання виконують похилим променем зору. При цьому визначають кут нахилу лінії і горизонтальну проекцію лінії перевищення обчислюють за тригонометричними формулами.
Фізичні види нівелювання включають барометричне, гідростатичне, радіота звукове нівелювання.