МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса

Метрология

Учебное пособие

для студентов дневной и заочной форм обучения направлений 654200, 552500

"Радиотехника"специальностей 200700 "Радиотехника",

230200 "Сервис бытовой радиоэлектронной аппаратуры",

201500 "Бытовая радиоэлектронная аппаратура"

230700 "Сервис", специализация 230702 "Информационный сервис",

направления 654700 "Информационные системы"

специальности 071900 "Информационные системы"

Шахты 2005

УДК 621.397 (075.8)

ББК 32.94я73

П 625

Составители:

к.т.н., доцент кафедры РЭС

В.В. Семенов

к.т.н., доцент кафедры РЭС

Ю.Б.Ханжонков

Рецензенты:

к.т.н., доцент кафедры РТ и С

В.Г. Манжула

к.т.н., доцент кафедры РЭС

В.А.Зибров

П 625 Семенов В.В., Ханжонков Ю.Б. Метрология: Пособие / В.В. Семенов – Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2005. –39с.

Данное учебное пособие предназначено для студентов очной и заочной форм обучения направлений 654200, 552500 "Радиотехника", специальностей 200700 "Радиотехника", 230200 "Сервис бытовой радиоэлектронной аппаратуры", 201500 "Бытовая радиоэлектронная аппаратура" 230700 "Сервис", специализация 230702 "Информационный сервис", направления 654700 "Информационные системы" специальности 071900 "Информационные системы, при изучении дисциплин: "Метрология и радиоизмерения" и "Метрология, стандартизация и сертификация". В пособии изложены теоретические и практические материалы по разделу "Метрология" с использованием иллюстраций. В конце пособия приведен библиографический список.

УДК 621.397 (075.8)

ББК 32.94я73

© Южно-Российский государственный

университет экономики и сервиса, 2005

© В.В.Семенов, Ю.Б. Ханжонков 2005

Оглавление

Введение	4
1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТРОЛОГИИ	5
1.1 Объекты исследований и измерений	6
1.2 Параметры измеряемых сигналов	6
1.3 Единицы измеряемых физических величин	8
1.4 Основные методы измерений	12
2 ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ	14
2.1 Классы точности приборов	15
2.2 Оценка результатов прямых измерений	17
2.3 Оценка результатов косвенных измерений	19
3 КЛАССИФИКАЦИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ	22
4 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ЗАКОНА РФ ОБ ОБЕСПЕЧЕНИИ ЕДИНСТВА ИЗМЕРЕНИЙ	27
5 МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ СЛУЖБЫ	28
6 ПОНЯТИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ	31
Заключение	34
Библиографический список	35
Приложение А Пример решения задачи	37

ВВЕДЕНИЕ

Измерения играют важнейшую роль в жизни человека и являются начальной ступенью познания, которые часто не превышают уровня эмпирических. Поскольку критерием истины всегда служит практика (эксперимент), результаты измерений очень часто выступают в качестве критерия истины. Измерения делают представления о свойствах окружающего нас мира более полными и понятными. Можно сказать, что прогресс науки и техники определяется степенью совершенства измерений и измерительных приборов. Итак, измерения служат источником нашего научного и практического познания. По этому поводу великий М. Планк сказал: "В физике существует только то, что можно измерить".

Студенты, начиная уже с первого семестра, выполняют лабораторные работы на общетехнических и специальных кафедрах. При этом в основе большинства лабораторных работ лежат измерения. Результаты любых измерений, как бы тщательно они ни выполнялись, неизбежно содержат некоторые погрешности. Поэтому успешная работа студентов в лабораториях наряду с изучением средств и методов измерений и приобретением навыков измерений предполагает также их знакомство с современными методами математической обработки результатов измерений, анализа и оценивания погрешностей.

Готовясь к самостоятельной работе по избранной специальности, студенты должны иметь в виду, что измерения пронизывают все сферы инженерного труда. С измерениями связана деятельность инженеров, работающих по профилям исследователей, конструкторов, технологов и т.д. Инженер непременно должен иметь ясное представление о возможностях измерительной техники, чтобы обеспечить взаимозаменяемость изделий, устройств и узлов радиоэлектронной техники. Поэтому знание современных стандартов, правил, норм и требований в области измерений также обязательны для специалистов, занимающихся управлением и организацией производства.

Чтобы успешно справиться с многочисленными и разнообразными проблемами измерений, необходимо освоить ряд общих принципов их решения, определить единую научную и законодательную базу, обеспечивающую на практике высокое качество измерений независимо от того, где и с какой целью они выполняются. Такой базой является метрология (от греческих слов "метрон" - мера, "логос" - учение).

1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТРОЛОГИИ

Знание метрологической терминологии, параметров измеряемых сигналов и принятой в нашей стране системы единиц измерения физи­ческих величин помогает успешно выполнять измерения и изучать литературу, посвященную измерениям физических величин и измеритель­ным приборам.

Термин "метрология" произошел от греческих слов: metron - мера и logos- учение, слово. В современном понимании - это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Метрология является наукой, в теоретических и практических достижениях которой заинтересованы все отрасли хозяйства и точные науки.

Измерение — нахождение значения физиче­ской величины опытным путем с помощью специальных технических средств.

Прямое измерение — измерение, при котором искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных.

Косвенное измерение — измерение, при котором искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми пря­мым измерениям.

Средство измерений — техническое средство, используемое при измерении и имеющее норми­рованные метрологические свойства.

Измерительный прибор — средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измери­тельной информации (т. е. сигнала, содержащего количественную информацию об измеряемой фи­зической величине) в форме, доступной для не­посредственного восприятия наблюдателем.

Эталон единицы измерения — это средство измерений (или комплекс средств измерений), обеспечи­вающее воспроизводство и (или) хранение еди­ницы физической величины с целью передачи ее размера образцовым и рабочим средствам измерений.

Образцовое средство измерений — мера, из­мерительный прибор или измерительный пре­образователь, служащие для поверки по ним других средств измерений и утвержденные в качестве образцовых.

Рабочее средство измерений — средство, при­меняемое для измерений, не связанных с пере­дачей размера единиц.

Результат измерения — значение величины, найденное ее измерением. Результат находят по показаниям средств измерений, использован­ных при измерении.

Показание средства измерений — это значе­ние измеряемой величины, определяемое по отсчетному устройству средства измерений и вы­раженное в принятых единицах этой величины.

Отсчетом называется число, отсчитанное по отсчетному устройству средства измерений либо полученное счетом последовательных отметок или сигналов.

Для нахождения показания Х_п отсчет N не­именованной шкалы нужно умножить на цену деления шкалы k·(X_п=Nk). Множитель k имеет размерность, например. В/деление, Гц/деле­ние и т. д.

1.1 Объекты исследований и измерений

Объекты исследований (предметы, уст­ройства и другие материальные тела) харак­теризуются различными значениями физических величин, неразрывно связанных с объектом.

Объектами электрорадиоизмерений являют­ся значения физических величин, параметры и характеристики сигналов электрорадиоцепей, компонентов и режимов этих цепей.

Например, объект исследования - резистор, объекты измерений -сопротивление резистора постоянному току и мощность рассеивания ре­зистора.

1.2 Параметры измеряемых сигналов

Мгновенное значение сигнала x(t)— значение сигнала в заданный момент времени (рисунок 1.1).

Максимальное значение сигнала X_max— наи­большее мгновенное значение сигнала на про­тяжении заданного интервала времени. Для периодических сигналов термин "максимальное значение сигнала" часто заменяют термином "амплитуда" (Х_m).

Минимальное значение сигнала Х_min — наи­меньшее мгновенное значение сигнала на про­тяжении заданного интервала времени.

Постоянная составляющая сигнала Х₀ — сред­нее значение сигнала:

,

где Т_y — время усреднения.

Для периодического сигнала с периодом Т постоянная составляющая сигнала

.

Рисунок 1.1- Параметры измеряемого сигнала

Средневыпрямленное значение сигнала Х_с.в — среднее значение модуля (абсолютной величины) сигнала. Для периодических сигналов средневыпрямленное значение

.

Для сигналов однополярных [Х_о] = Х_с.в.

Среднеквадратическое значение сигнала Х_с.к — корень квадратный из среднего значения квадрата сигнала. Для периодического сигнала:

,

или, если известны постоянная составляющая Х_о и амплитуды гармоник Х_mi ,

.

Переменная составляющая сигнала — раз­ность между сигналом и его постоянной со­ставляющей:

x_~(t)=x(t)-X₀..

Пиковое отклонение "вверх" Х_в.в — наиболь­шее мгновенное значение переменной состав­ляющей сигнала на протяжении заданного ин­тервала времени.

Пиковое отклонение "вниз" Х_в.н — наимень­шее мгновенное значение переменной состав­ляющей сигнала на протяжении заданного ин­тервала времени, взятое по модулю.

Размах сигнала Х_р — разность между макси­мальным и минимальным значениями сигнала на протяжении заданного интервала времени:

Х_р=X_max-X_min=Х_в.в+Х_в.н.

Если конкретный сигнал является напряже­нием или током, то в приведенных терминах и формулах символы х и Х нужно заменить на соответствующие сигналы напряжения (u, U) или тока (i, I). Например, мгновенное значе­ние напряжения обозначается символами u (t), максимальное значение тока I_m и т. п.

Для периодических сигналов связь между их амплитудой Х_m среднеквадратическим значе­нием Х_{с. к} и средневыпрямленным значением Х_{с. в} устанавливается через коэффициент ампли­туды k_a=X_m/X_c.k и коэффициент формы к_ф= =Х_{с. к}/Х_с.в. Для синусоидальных по форме сигналов k_a= 1,41 и к_ф=1,11. Знание од­ного из значений сигнала, коэффициентов ам­плитуды и формы позволяет найти и другие его значения. Например, для синусоидального напряжения при амплитуде U_m=100 В имеем и.

1.3 Единицы измеряемых физических величин

В России подлежат обязательному при­менению единицы Международной системы единиц (сокращенное наименование СИ), а так­же десятичные кратные и дольные от них.

Основные и дополнительные единицы СИ приведены в таблице 1.1. Некоторые из произ­водных единиц СИ, имеющих специальные на­именования, даны в таблице 1.2. Наравне с еди­ницами СИ допускается применение некоторых величин и их единиц, не входящих в систему СИ (таблица 1.3).

Десятичные кратные и дольные единицы образуются от единиц, приведенных в таблицах 1.1- 1.3, с помощью множителей и приставок, при­веденных в таблице 1.4. Обозначение приставки пишут слитно с обозначением единиц измерения, к которым они присоединяются. Например, миллиампер - мА, киловольт - кВ и т. п.

Т а б л и ц а 1.1- Основные и дополнительные единицы СИ

Еди­ница	Величина	Размер­ность	Наиме­нование	Обозначение
				международное	рус­ское
Основная	Длина	L	метр	m	м
	Масса	M	миллограмм	kg	кг
	Время	T	секунда	s	с
	Сила электрического тока	I	ампер	A	А
	Термодинамическая температура	Θ	кельвин	K	К
	Количество вещества	N	моль	mol	Моль
	Сила света	J	кандела	cd	кд
Дополнительная	Плоский угол	-	радиан	rad	рад
	Телесный угол	-	стерадиан	sr	ср

Т а б л и ц а 1.2- Производные единицы СИ, имеющие специальные наименования

Величина	Наименование	Обозначение
		международное	русское
1	2	3	4
Частота	герц	Hz	Гц
Сила, вес	ньютон	N	Н
Давление, механическое напряжение, модуль уп­ругости	паскаль	Ра	Па
Энергия, работа, количество теплоты	джоуль	J	Дж
Продолжение Таблицы 1.2
1	2	3	4
Мощность, поток энергии	ватт	W	Вт
Количество электричества (электрический заряд)	кулон	С	Кл
Электрическое напряжение, электрический потенциал, разность электри­ческих потенциалов, электродвижущая сила	вольт	V	В
Электрическая емкость	фарад	F	Ф
Электрическое сопротивление	ом	Ω	Ом
Электрическая проводимость	сименс	S	См
Поток магнитной индукции, магнитный поток	вебер	Wb	Вб
Плотность магнитного потока, магнитная индукция	тесла	Т	Тл
Индуктивность, Взаимная индуктивность	генри	Н	Гн
Световой поток	люмен	lm	лм
Освещенность	люкс	lх	лк

Т а б л и ц а 1.3- Внесистемные единицы, допустимые к применению

Величина	Наименование	Обозначение			Соотношение с единицами СИ
		Международное	Русское
1	2	3	4	5
Масса	тонна	t	т	103 кг
Время	минута час сутки	min h d	мин ч сут	60с 3600с 86400с
Продолжение Таблицы 1.3
1	2	3	4	5
Плоский угол	град	…g	град	/180 рад
Энергия	Электрон-вольт	eV	эВ	1,60219
Полная мощность	Вольт-ампер	V·A	В·А	-
Реактивная мощность	вар	var	вар	-

Т а б л и ц а 1.4- Множители и приставки для образования десятичных-кратных и

дольных единиц и их наименований

Множитель	Приставка	Обозначение приставки
		Международное	Русское
1018	экса	E	Э
1015	пета	P	П
1012	тера	T	Т
109	гига	G	Г
106	мего	M	М
103	кило	k	к
102	гекто	h	г
101	дека	da	да
10-1	деци	d	д
10-2	санти	c	с
10-3	милли	m	м
10-6	микро		мк
10-9	нано	n	н
10-12	пико	p	п
10-15	фемто	f	ф
10-16	атто	a	а

Присоединение к наименованию единицы более одной приставки не допускается. Для образования дольных единиц массы вместо ос­новной единицы "килограмм" используется дольная единица "грамм" (0,001 кг). Например, миллиграмм [мг], а не микрокилограмм [мккг].

Обозначение единиц, наименованных в честь ученых, пишется прописной буквой независимо от наличия приставок. Например, МОм (мегаом) и т.п.

В печатных изданиях допускается примене­ние либо международных, либо русских обозна­чений единиц измерений и приставок. Одновре­менное же применение и тех, и других не до­пускается. Для указания значений величин на шкалах и щитках средств измерений исполь­зуются лишь международные обозначения еди­ниц и приставок.