УДК 53.03+658.516+658.5621(075.8) Щ25

Рецензенты: канд.техн.наук, доцент В.А. Трефилов

(Пермский государственный технический университет); технический директор, канд. техн. наук И.Я. Сальников (ЗАО «Энергосервис»)

Щапова И.Н.

Щ 25 Метрология, стандартизация и сертификация: Учеб, пособие / Перм. гос. техн. ун-т. - Пермь, 2003. - 69 с.

Рассмотрены основы метрологии, методы и средства измерений электрических и неэлектрических величин, организационные и нормативно-методические основы стандартизации и сертификации.

Для студентов, обучающихся по направлению «Электротехника, электромеханика и электротехнологии».

УДК 53.03+658.516+658.562](075.8)

© Пермский государственный технический университет, 2003

1.ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ МЕТРОЛОГИИ

Впроцессе познавательной деятельности человека возникает множество задач, для решения которых необходимо располагать количественной информацией о том или ином свойстве объектов материального мира (явления, процесса, вещества, изделия). Основным способом получения такой информации являются измерения, при правильной организации и выполнении которых получают результат измерение с большей или меньшей точностью отражающий интересующие свойства объекта познания.

Необходимо иметь в виду, что сегодня измерения пронизывают все сферы инженерного труда. Измерительная информация является основой для принятия технических и управленческих решений при испытаниях продукции, оценивании

еетехнического уровня, аттестации и сертификации качества. И естественно, что только высокая и гарантированная точность результатов измерений обеспечивает правильность принимаемых решений. Поэтому знание современных правил, норм и требований в области измерений также обязательно для специалистов, осуществляющих функции управления и организации производства.

При этом важно не только уметь выполнить измерение и оценить погрешность результата, но и так спланировать и осуществить процедуру измерения, чтобы обеспечить требуемую точность или свести погрешности к минимуму.

Говоря о точности измерений, следует заметить, что уровень точности, к

которому надо стремиться, должен определяться критериями технической и экономической целесообразности. Известно, что увеличение точности измерения вдвое удорожает само измерение в несколько раз. В то же время снижение точности измерения в производстве ниже определенной нормы приводит к браку продукции. При назначении точности измерений важно также учитывать их значимость.

С развитием науки, техники и разработкой новых технологий измерения охватывают все новые и новые физические величины, существенно расширяются диапазоны измерений, как в сторону измерения сверхмалых значений, так и в сторону очень больших значений физических величин. Непрерывно повышаются требования к точности измерений.

В этих условиях, чтобы успешно справиться с многочисленными и разнообразными проблемами измерений, необходимо освоить некоторые общие принципы их решения, нужен единый научный и законодательный фундамент. Таким фундаментом является метрология.

Метрология - наука об измерениях, методах, средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности (греческое слово «метрология» образовано от слов «метрон» - мера и «логос» - учение).

Метрология делится на три самостоятельных и взаимно дополняющих раздела.

разработана и утверждена в 1791 г. метрическая система мер. Эта система строилась на основе естественной единицы - метра, равного одной сорокамиллионной части меридиана, проходящего через Париж. За единицу массы принимался килограмм - масса кубического дециметра чистой воды при температуре +4°С.

В 1842 г. на территории Петропавловской крепости в Санкт-Петербурге в специально построенном здании открылось первое метрологическое учреждение России - Депо образцовых мер и весов. В нем хранились эталоны и их копии, изготавливались образцовые меры для передачи в другие города, проводились сличения российских мер с иностранными.

Очень много для развития отечественной метрологии сделал Д.И.Менделеев. В 1893 г. на базе Депо образцовых мер и весов была утверждена Главная палата мер и весов, управляющим которой до последних дней жизни был Д.И. Менделеев. В настоящее время на ее базе существует высшее научное учреждение страны - Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева (ВНИИМ).

В 1960 г. XI Международная конференция по мерам и весам приняла Международную систему единиц физических величин - систему СИ («система интернациональная»). Сегодня метрическая система узаконена более чем в 124 странах мира.

1.2. Физические свойства и величины

Все объекты окружающего мира характеризуются своими свойствами. Свойство - категория качественная. Для количественного описания различных свойств процессов и физических тел вводится понятие величины. Величина - это свойство чего-либо, которое может быть выделено среди других свойств и оценено тем или иным способом, в том числе и количественно [3] (рис.1).

Рис. 1. Классификация величин

Идеальные величины главным образом относятся к математике и являются обобщением (моделью) конкретных реальных понятий. Они вычисляются тем или иным способом.

Реальные величины в свою очередь делятся на физические и нефизические. К нефизическим следует отнести величины, присущие общественным (нефизическим) наукам - философии, социологии, экономике и т.п.

Физические величины (ФВ) - это измеренные свойства физических объектов или процессов, с помощью которых они могут быть изучены.

Измеряемые ФВ могут быть выражены количественно в виде определенного числа установленных единиц измерения. Возможность введения и использования последних является важным отличительным признаком измеряемых ФВ. Физические величины, для которых по тем или иным причинам не может быть введена единица измерения, могут быть только оценены. Под оцениванием в таком случае понимается операция приписывания данной величине определенного числа, проводимая по установленным правилам. Оценивание величины осуществляется при помощи шкал. Шкала величины - упорядоченная последовательность ее значений, принятая по соглашению на основании результатов точных измерений.

Качественная сторона понятия физическая величина определяет «род» величины (длина как характеристика протяженности вообще; электрическое сопротивление как общее свойство проводников электричества и т.п.), а количественная - ее «размер» (длина конкретного предмета, сопротивление конкретного проводника).

Целью измерения и его конечным результатом является нахождение значения ФВ. Значение физической величины - оценка ФВ в принятых для измерения данной величины единицах. Понятно, что числовое значение результата измерения будет зависеть от выбора единицы физической величины.

Метрология изучает и имеет дело только с измерениями физических величин, т.е. величин, для которых может существовать физически реализуемая и воспроизводимая единица величины. Таким образом, в дополнение приведенному определению подчеркнем, что возможность физической реализации единицы является определяющим признаком понятия «физическая величина».

По принадлежности к различным группам физических процессов различают следующие ФВ :

пространственно-временные; механические; тепловые;

электрические и магнитные; акустические; световые; физико-химические;

ионизирующих излучений; атомной и ядерной физики.

По степени условной независимости от других величин данной группы различают следующие ФВ:

основные (условно независимые). В системе СИ их семь (длина, время, масса, температура, сила электрического тока, сила света и количество вещества);

производные (условно зависимые); дополнительные (плоский и телесный углы).

2. ИЗМЕРЕНИЕ, МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ, СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

Измерение - сложный процесс, включающий в себя взаимодействие целого ряда его структурных элементов. К ним относятся: измерительная задача, объект измерения, принцип, метод и средство измерения и его модель, условия измерения, субъект измерения, результат и погрешность измерения.

Основные этапы измерений:

•постановка измерительной задачи (накопление информации об объекте измерения, формирование модели объекта и т.д.);

•планирование измерения (выбор методов, средств измерений, оценка погрешности измерения и т.д.);

•измерительный эксперимент;

•обработка экспериментальных данных.

Задача (цель) любого измерения заключается в определении значения выбранной (измеряемой) ФВ с требуемой точностью в заданных условиях. Постановку задачи измерения осуществляет субъект измерения - человек.

Объект измерения - это реальный физический объект, свойства которого характеризуются одной или несколькими измеряемыми ФВ.

Субъект измерения - человек принципиально не в состоянии представить себе объект целиком, во всем многообразии его свойств и связей. Вследствие этого взаимодействие субъекта с объектом возможно только на основе математической модели объекта. Математическая модель объекта измерения -

это совокупность математических символов (образов) и отношений между ними, которая адекватно описывает интересующие субъекта свойства объекта измерения.

Основной проблемой моделирования объектов измерений является выбор таких моделей, которые можно считать адекватно описывающими измеряемые величины (свойства) данного объекта. При этом зачастую приходится решать две взаимоисключающие задачи: модель должна адекватно отражать все свойства объекта, необходимые для решения измерительной задачи, и в то же время быть по возможности простой и содержать минимум параметров.

По способу нахождения искомого значения измеряемой величины различают прямые (непосредственно по показаниям СИ), косвенные (рассчитывают по формуле, а значения величин, входящих в формулу, получают измерениями), совместные (одновременные измерения двух или нескольких разнородных величин для установления зависимости между ними) и совокупные (производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин) измерения.

Измерительная информация, т.е. информация о значениях измеряемой ФВ, содержится в измерительном сигнале. Измерительный сигнал - это сигнал, содержащий количественную информацию об измеряемой ФВ. Он поступает на вход СИ, при помощи которого преобразуется в выходной сигнал, имеющий

форму, удобную либо для непосредственного восприятия человеком (субъектом измерения), либо для последующей обработки и передачи. Субъект измерения осуществляет выбор принципа, метода и средства измерений.

Принцип измерений - совокупность физических принципов, на которых основаны измерения.

Метод измерения - это прием или совокупность приемов сравнения измеряемой ФВ с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерения. Метод измерения должен по возможности иметь минимальную погрешность и способствовать исключению систематических погрешностей или переводу их в разряд случайных (см. п. 3.1,3.2).

Методы измерения можно классифицировать по различным признакам, среди которых:

физический принцип, положенный в основу измерения. По нему все методы измерений делятся на электрические, магнитные, акустические, оптические, механические и т.д.;

режим взаимодействия средства и объекта измерений. В этом случае все методы измерений подразделяются на статические и динамические;

вид измерительных сигналов, применяемый в средстве измерения. В соответствии с ним методы делятся на аналоговые и цифровые.

Как известно, искомое значение ФВ находится посредством сопоставления ее с мерой, материализующей единицу этой величины. В зависимости от способа применения меры различают метод непосредственной оценки и методы сравнения (рис. 2) [2].

Рис. 2. Классификация методов измерения

При измерении методом непосредственной оценки искомое значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству средства измерения, которое проградуировано в соответствующих единицах (например, измерение напряжения электромеханическим вольтметром магнито­ электрической системы).

В методах сравнения измеряемая величина сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой (например, сравнение массы на рычажных весах). Отличительной чертой методов сравнения является непосредственное участие меры в процедуре измерения, в то время как в методе непосредственной оценки

мера в явном виде при измерении не присутствует, а ее размеры перенесены на отсчетное устройство (шкалу) средства измерения заранее, при его градуировке. Обязательным в методе сравнения является наличие сравнивающего устройства. Сравнение можно проводить различными способами, поэтому метод сравнения распадается на ряд разновидностей.

воспроизводимой мерой. Следовательно, Х=ХМ+АХ. При дифференциальном методе полное уравновешивание не производят. Примером дифференциального метода может служить измерение вольтметром разности двух напряжений, из которых одно известно с большой точностью, а другое представляет собой искомую величину.

Метод замещения заключается в поочередном измерении прибором искомой величины и выходного сигнала меры, однородного с измеряемой величиной. Так как погрешность прибора неодинакова в различных точках шкалы, наибольшая точность измерения получается при одинаковых показаниях прибора. Пример метода замещения - измерение большого электрического активного сопротивления путем поочередного измерения силы тока, протекающего через контролируемый и образцовый резисторы. Другой пример - взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашку весов.

При методе совпадений разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, определяют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов (широко используется в практике неэлектрических измерений). Примером использования данного метода в электрических измерениях является измерение частоты вращения тела посредством стробоскопа. Метод совпадений, использующий совпадения основной и нониусной отметок шкал, реализуется в штангенприборах, применяемых для измерения линейных размеров.

Метод измерений реализуется в средстве измерений - техническом средстве, используемом при измерениях и имеющем нормированные метрологические характеристики, т.е. характеристики, влияющие на результаты и на точность измерений.

Средство измерения обладает одним из двух признаков:

вырабатывает сигнал (показание), несущий информацию о размере (значении) измеряемой величины;

воспроизводит величину заданного (известного) размера (например, гиря - заданную массу, магазин сопротивлений - ряд дискретных значений сопротивления).

Средства измерений (СИ) могут быть элементарными (меры, устройства сравнения и измерительные преобразователи) и комплексными (регистрирующие и показывающие измерительные приборы, измерительные системы, измерительно-вычислительные комплексы). Классификация средств измерений по их роли в процессе измерения и выполняемым функциям является основной и представлена на рис. 5 [3].

Мера - это средство измерений, предназначенное для воспроизведения одного или нескольких фиксированных значений физической величины (например, мера массы - гиря, мера индуктивности - образцовая катушка индуктивности и т.д.).

Измерительный преобразователь - это средство измерений, предназначенное для преобразования сигналов измерительной информации в форму, целесообразную для передачи, обработки или хранения. Измерительная информация на выходе измерительного преобразователя, как правило, недоступна для непосредственного восприятия наблюдателем. К измерительным преобразователям относятся термопары, измерительные трансформаторы тока и напряжения, измерительные усилители, преобразователи давления и т.д.

Измерительные преобразователи (ИП) классифицируются по ряду признаков.

По местоположению в измерительной цепи преобразователи делятся на первичные и промежуточные. Первичный преобразователь - это такой ИП, на который непосредственно воздействует измеряемая ФВ, т.е. он является первым в измерительной цепи средством измерений. Промежуточные преобразователи располагаются в измерительной цепи после первичного [5].

Кроме термина «первичный измерительный преобразователь» используется близкий к нему термин - «датчик». Электрический датчик - это один или несколько измерительных преобразователей, служащих для преобразования