Метрология стандартизация и сертификация в строительном материалове
..pdfГосударственная поверочная схема для средств измерения температуры устанавливается ГОСТ 8.558–2009.
В области измерений электрических и магнитных величин (включая радиотехнические) созданы и функционируют 32 эталона. Они перекрывают не только большой диапазон значений измеряемых величин, но и широкий спектр условий их измерений, прежде всего частоты, доходящей до десятков гигагерц. Основу составляют эталоны, которые наиболее точно воспроизводят единицы и определяют размеры остальных производных единиц. Это государственные первичные эталоны единиц ЭДС, сопротивления и электрической емкости. Первые два разработаны недавно и основаны на квантовых эффектах Джозефсона и Холла.
До последнего времени единицу силы электрического тока – ампер на практике приходилось определять по тем действиям, которые ток оказывал на окружающую среду, например выделение теплоты при прохождении тока через проводник, осаждение вещества на электродах при прохождении тока через электролит, механические действия тока на магнит или проводник с током.
Государственный первичный эталон ампера состоит из аппаратуры, выполненной на основе квантовых эффектов Джозефсона и квантования магнитного потока (эффект Холла), включая меру напряжения, меру электрического сопротивления, сверхпроводящий компаратор тока и регулируемые источники тока (ГОСТ 8.027–2001, ГОСТ
8.022–91).
В 1979 г. на XVI Генеральной конференции мер и весов было принято новое определение, по которому кандел-
61
ла воспроизводится путем косвенных измерений. В России единство измерений световых величин обеспечивается
ГОСТ 8.023–90.
Современный государственный эталон канделлы имеет диапазон номинальных значений 30–110 кд, среднее квадратическое отклонение результата измерений – 10–3 кд; неисключенная систематическая погрешность составляет 2,5–10 3 кд.
Эталонная база в области измерений параметров ионизирующих излучений насчитывает 14 ГЭ и обеспечивает воспроизведение их величин, таких как активность радионуклидов и масса радия, экспозиционная, поглощенная и эквивалентная дозы, поток энергии и др. Погрешность воспроизведения единиц в этой области составляет доли – единицы процента.
Эталонная база физико-химических измерений состоит из трех государственных эталонов, воспроизводящих единицы молярной доли компонентов в газовых средах, объемного влагосодержания нефти и нефтепродуктов, относительной влажности газов. Система эталонов в этой области наименее развита. Точность измерений также не очень велика и составляет доли процентов.
Государственный первичный эталон и государственная поверочная схема для измерения плоского угла устанавливаются ГОСТ 8.016–81. Первичный эталон обеспечивает воспроизведение градуса с неисключенной погрешностью не более 0,02.
62
1.6. ВИДЫ И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ
Классификация видов измерений приведена на рис. 1.4. Виды измерений определяются физическим характером измеряемой величины, требуемой точностью измерения, необходимой скоростью измерения, условиями и режимом измерений и т.д. Из рис. 1.4 следует, что в метрологии существует множество видов измерений и число их постоянно увеличивается. Можно, например, выделить виды измерений в зависимости от их цели: контрольные, диагностические и прогностические, лабораторные и технические, эталонные и поверочные, абсолютные и относительные и т.д.
Наиболее часто используются прямые измерения, состоящие в том, что искомое значение величины находят из опытных данных путем экспериментального сравнения. Например, длину измеряют непосредственно линейкой, температуру– термометром, силу – динамометром. Уравнение прямого измерения: у = Сх, где С– цена деления СИ.
Если искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, найденными прямыми измерениями, то этот вид измерений называют косвенным. Например, объем параллелепипеда находят путем умножения трех линейных величин (длины, ширины и высоты); электрическое сопротивление – путем деления падения напряжения на величину силы электрического тока. Уравнение косвенного измерения
у = f (х1х2, …, хn),
где xi – i-й результат прямого измерения.
63
64
Совокупные измерения осуществляются путем одновременного измерения нескольких одноименных величин, при которых искомое значение находят решением системы уравнений, получаемых в результате прямых измерений различных сочетаний этих величин. При определении взаимоиндуктивности катушки M, например, используют два метода: сложения и вычитания полей. Если индуктивность одной из них L1, а другой – L2, то находят L01,= L1 + L2 + 2M
и L02, = L1 + L2 – 2M. Откуда М = (L01 – Z02)/4.
Совместными называют производимые одновременно (прямые и косвенные) измерения двух или нескольких неодноименных величин. Целью этих измерений, по существу, является нахождение функциональной связи между величинами. Например, измерение сопротивления R1 проводника при фиксированной температуре t по формуле
R1 = Ro (1+α∆t),
где Rо и α – сопротивление при известной температуре to (обычно 20 °С) и температурный коэффициент – величины постоянные; измеренные косвенным методом; ∆t = t – to – разность температур; t – заданное значение температуры, измеряемое прямым методом.
Приведенные виды измерений включают различные методы, т.е. способы решения измерительной задачи с теоретическим обоснованием и разработкой использования средств измерения по принятой МВИ. Методика – это технология выполнения измерений с целью наилучшей реализации метода.
Прямые измерения – основа более сложных измерений, и поэтому целесообразно рассмотреть методы прямых измерений. В соответствии с РМГ 29–99 различают:
65
1.Метод непосредственной оценки, при котором значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора, например, измерение давления пружинным манометром, массы – на весах, силы электрического тока – амперметром.
2.Метод сравнения с мерой, где измеряемую вели-
чину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Например, измерение массы на рычажных весах с уравновешиванием гирей; измерение напряжения постоянного тока на компенсаторе сравнением с ЭДС параллельного элемента.
3.Метод дополнения, если значение измеряемой величины дополняется мерой этой же величины с таким расчетом, чтобы на прибор сравнения воздействовала их сумма, равная заранее заданному значению.
4.Дифференциальный метод характеризуется изме-
рением разности между измеряемой величиной и известной величиной, воспроизводимой мерой. Метод позволяет получить результат высокой точности при использовании относительно грубых средств измерения (рис. 1.5).
Рис. 1.5. Дифференциальный метод измерения
66
Пример 1.2. Измерить длину х стержня, если известна длина L (L < х) меры. Как показано на рис. 1.5, х = l + а (а – измеряемая величина).
Действительные значения ад будут отличаться от измеренного а на величину погрешности ∆:
|
|
∆ |
|
aд = a ± ∆ + |
a 1± |
|
. |
|
|||
|
|
a |
|
Тогда
x = l + a ± ∆ = (l+ |
a) |
|
∆ |
|||||
1± |
|
|
||||||
|
||||||||
|
|
|
|
|
l − a |
|||
Поскольку l >> а, то |
∆ |
|
<< |
∆ |
. |
|
|
|
|
l + a |
|
|
a |
|
|
||
Пусть ∆ = 0,1 мм; l = 1000 м; а =10 мм. Тогда
0,1 |
= 0,0001 (0,01 %) << |
0,1 |
= 0,01 (1 %). |
1000 |
|
||
10 |
|
||
5. Нулевой метод аналогичен дифференциальному, но разность между измеряемой величиной и мерой сводится к нулю. При этом нулевой метод имеет то преимущество, что мера может быть во много раз меньше измеряемой величины. Рассмотрим, например, неравноплечие весы (рис. 1.6, а), где Р1l1= Р2l2. В электротехнике – это мосты для измерения индуктивности, емкости, сопротивления
(рис. 1.6, б). Здесь r1r2 = rxr3, откуда rx = r1r2/r3. В общем случае совпадение сравниваемых величин регистрируется
нуль-индикатором (И).
67
Рис. 1.6. Нулевой метод измерения: а – схема механических весов; б – схема электрического моста
6. Метод замещения – метод сравнения с мерой, в которой измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой. Например, взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашку весов.
Кроме того, можно выделить нестандартизованные методы:
♦метод противопоставления, при котором измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения. Например, измерения массы на равноплечих весах с помещением измеряемой массы и уравновешивающих ее гирь на двух чашках весов;
♦метод совпадений, где разность между сравниваемыми величинами измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов.
Например, при измерении длины штангенциркулем наблюдают совпадение отметок на шкалах штангенциркуля
инониуса; при измерении частоты вращения стробоско-
68
пом – метки на вращающемся объекте с момента вспышек известной частоты.
В литературе [2; 43; 18] иногда встречается название измерений с однократными наблюдениями – обыкновенные измерения, а с многократными – статистические. Кроме того, если весь измеряемый параметр фиксируется непосредственно СИ, то это – абсолютный метод, а если СИ фиксирует лишь отклонение параметра от установочного значения, то это относительный (пороговый) метод измерения.
Другие виды и методы измерений (см. рис. 1.4) не требуют специальных пояснений и будут рассмотрены ниже.
1.7. ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ
При практическом использовании тех или иных измерений важно оценить их точность. Термин «точность измерений», т.е. степень приближения результатов измерения к некоторому действительному значению, не имеет строгого определения и используется для качественного сравнения измерительных операций. Для количественной оценки используется понятие «погрешность измерений» (чем меньше погрешность, тем выше точность). Оценка погрешности измерений – одно из важных мероприятий по обеспечению единства измерений.
Количество факторов, влияющих на точность измерения, достаточно велико, и любая классификация погрешностей измерения (рис. 1.7) в известной мере условна, так как различные погрешности в зависимости от условий измерительного процесса проявляются в различных группах. Поэтому для практических целей достаточно рассмот-
69
70