Методы и средства измерений и контроля. Учебное пособие для самостоятельной работы студентов направления подготовки 27.03.01 – Стандартизация и метрол

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна»

С. П. Майбуров К. Г. Иванов С. Ю. Иванова

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ И КОНТРОЛЯ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия

Санкт-Петербург

2017

УДК 53.08(075.8)

ББК 22.3я73 М14

Рецензенты:

кандидат технических наук, доцент Санкт-Петербургского государственного университета промышленных технологий и дизайна

Е. П. Романова;

кандидат физ.-мат. наук, старший научный сотрудник физико-технического института им. А. А. Иоффе

О. Н. Урюпин

Майбуров, С. П.

М14 Методы и средства измерений и контроля: учеб. пособие для самостоятельной работы студентов направления подготовки 27.03.01 – Стандартизация и метрология / С. П. Майбуров, К. Г. Иванов, С. Ю. Иванова. – СПб.: ФГБОУВО «СПбГУПТД», 2017, – 67 с.

ISBN 978-5-7937-1439-6

Учебное пособие разработано на основании Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования.

Содержит краткий конспект лекций, списки основной и дополнительной литературы.

Предназначено для студентов всех форм обучения, всех направлений, бакалавриата, изучающих курс «Методы и средства измерений и контроля»

2

3.Классификация эталонов основных величин…………………………….. 8

3.1.Эталон длины…………………………………………………………. 11

3.2.Эталон массы…………………………………………………………. 12

3.3.Эталон времени……………………………………………………….. 13

3.4.Эталон силы тока……………………………………………………... 13

3.5.Эталон температуры………………………………………………….. 14

5.1.Меры и единицы измерений…………………………………………. 24

5.2.Принятие метрической системы единиц……………………………. 26

5.5.Методы определения массы небесных тел…………………………. 30

5.6.Методы измерения космических расстояний………………………. 31

6.Время и методы его измерения. Измерение времени релаксации

волокон………………………………………………………………………… 34

6.1.Часовые пояса Земли…………………………………………………. 35

6.2.Солнечные часы………………………………………………………. 36

6.3.Звездные часы………………………………………………………… 38

6.4.Точное время и определение географической долготы……………. 38

6.5.Механическая релаксация массы волокон………………………….. 38

7.Методы измерения постоянных токов и напряжений. Измерение сопротивления и диэлектрической проницаемости текстильных материалов…………………………………………………………………….. 39

7.1.Измерение токов и напряжений с использованием приборов…….. 40

7.2.Измерение сопротивления и диэлектрической проницаемости текстильных материалов………………………………………………….. 41

8.Температурные шкалы и методы измерения температуры. Тепловые

свойства текстильных материалов…………………………………………… 42

8.1.Термометры…………………………………………………………… 44

8.2.Методы измерения температуры……………………………………. 45

8.3.Бесконтактный метод измерения температуры…………………….. 50

8.4.Люминесцентный метод измерения температуры…………………. 51

8.5Тепловые свойства текстильных материалов……………………….. 52

9.Методы измерения количества вещества…………………………………. 52

3

свойств тканей и других материалов………………………………………… 57

4

Введение

Впроцесс познавательной и научно-технической деятельности человека возникает множество задач, для решения которых необходимы измерения, являющиеся количественной и качественной информацией о свойствах объектов материального мира. Такая информация необходима для познания и развития науки и техники, совершенствования методов измерений, правильной эксплуатации измерительной аппаратуры и выборе методов измерений для получения минимальной погрешности. Решение таких задач соответствует общеобразовательным и профессиональным компетенциям, которые лежат в основе теоретической, практической и законодательной метрологии.

Воснове почти всех методов измерений лежат фундаментальные законы физики, обеспечивающие богатство и разнообразие методов. Можно также утверждать, что развитие методов измерений способствуют развитию технических средств, развитию приборостроения и совершенствованию аппаратурной базы. Однако любое выполненное измерение, не может претендовать на абсолютную истину, иначе говоря, значение физической величины получается с ошибкой или погрешностью.

Основная задача измерений состоит не только в получении численного значения физической величины, но и в минимизации погрешности, что соответствует возросшими требованиями научно-технического прогресса к точности измерений. В данном пособии рассматривается большое разнообразие методов измерений основных и производных величин, наиболее часто встречающихся в быту.

1.Измерения и размерности физических величин

Вфизике для описания явлений, процессов и свойств тел или систем используются количественные характеристики – физические величины. Значения физических величин получают в ходе их измерения с помощью специальных технических средств. Измерить физическую величину – значит сравнить ее с однородной величиной, принятой за единицу. В результате получают числовое значение физической величины в принятых единицах.

Единицы измерения не являются объектами природы, а представляют лишь вспомогательный аппарат, применяемый для ее изучения. Поэтому в принципе возможно бесконечное множество единиц измерения. Но на практике удобно пользоваться единой системой единиц.

ВСССР в 1963 г. была введена Международная система единиц СИ. В качестве основных в этой системе используются семь единиц, через которые выражаются остальные единицы, именуемые производными, и две дополнительные. Основными в системе СИ выбраны единицы следующих физических величин: массы – килограмм (кг); длины – метр (м); времени – секунда (с); силы тока – ампер (А); термодинамической температуры – кельвин (К); силы света – кандела (кд); количества вещества – моль (моль); плоский угол – радиан (рад); телесный угол – стерадиан (ср).

5

Для проведения измерений используются специальные технические средства, которые по назначению разделяются на меры, измерительные приборы, измерительные преобразователи и вспомогательные средства.

Совокупность различных средств измерений может образовывать измерительные установки и системы. Мерой называется средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера; это вещественно воспроизведенная (изготовленная) единица измерения.

Различают однозначные меры, многозначные меры и наборы мер. Однозначная мера воспроизводит физическую величину одного размера

(например, конденсатор постоянной емкости, гиря). Многозначная мера воспроизводит ряд значений одноименных физических величин различного размера (конденсатор переменной емкости, вариометр индуктивности, линейка с миллиметровыми делениями и т. п.).

Набор мер представляет собой специально подобранный комплект мер для воспроизведения ряда значений одноименных величин различного размера, причем меры могут применяться как отдельно, так и в различных

сочетаниях (магазины сопротивлений, емкостей, набор гирь). Магазин мер – это набор мер, конструктивно объединенных в одно целое.

Измерительные приборы позволяют получить информацию о значениях измеряемой величины в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Они могут быть классифицированы по различным признакам. В частности, измерительные приборы подразделяются на аналоговые, показания которых являются непрерывной функцией измеряемой величины, и цифровые, которые автоматически вырабатывают дискретные сигналы измерительной информации и дают показания в цифровой форме.

В состав многих измерительных приборов и установок входят измерительные преобразователи, предназначенные для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем. Примером являются терморезисторы, делители напряжения, измерительные механизмы электромеханических приборов и др.

Измерительная установка представляет совокупность функционально объединенных средств измерений (мер, измерительных приборов или измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств. Она предназначена для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем, и расположена в одном месте.

Совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, называется измерительной системой. Все измерения физических величин подразделяются на прямые, косвенные, совокупные и совместные. Прямое измерение – это определение значения измеряемой величины непосредственно с помощью средств измерения. Таким образом можно найти массу тела с помощью весов, измерить силу тока амперметром и др.

6

При косвенных измерениях значение физической величины определяется по формуле, связывающей ее с другими величинами, полученными в ходе прямых измерений. Например, так измеряется плотность тел по массе и объему, сопротивление по силе тока и напряжению и т. д.

При совокупных измерениях одновременно измеряют несколько однородных величин, а их искомые значения находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин. Совместные измерения состоят в одновременном измерении двух или нескольких не одноименных величин для нахождения зависимости между ними. Измерения могут проводиться также методом непосредственной оценки или сравнения с мерой.

2. Свойства эталонов, воспроизводящих основные физические величины

Эталон единицы величины – это средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения величины с целью передать ее размер другим средствам измерений, которые утверждены в порядке, установленном уполномоченным государственным органом по стандартизации, метрологии и сертификации.

Перечень эталонов не повторяет перечня физических величин. Для ряда единиц эталоны не создаются из-за того, что нет возможности непосредственно сравнить соответствующие физические величины, например, нет эталона площади. Не создаются эталоны и в том случае, когда единица физической величины воспроизводится с достаточной точностью на основе сравнительно простых средств измерений других физических величин.

Конструкция эталона, его физические свойства и способ воспроизведения единицы определяются физической величиной, единица которой воспроизводится, и уровнем развития измерительной техники в данной области измерений. Эталон должен обладать, по крайней мере, тремя взаимосвязанными свойствами: неизменностью, воспроизводимостью, сличаемостью.

Неизменность – свойство эталона удерживать неизменным размер воспроизводимой им единицы в течение длительного интервала времени, при этом все изменения, зависящие от внешних условий, должны быть строго определенными функциями величин, доступных точному измерению. Реализация этих требований привела к идее создания "естественных" эталонов различных величин, основанных на физических постоянных.

Чтобы обеспечить свойство неизменности, необходимо учитывать влияние внешних условий на эталон, знать какие параметры среды могу повлиять на неизменность и уметь их рассчитывать, чтобы обеспечить компенсацию влияния.

Особенно это касается разрушаемых эталонов и эталонов, параметры которых обеспечиваются стабилизаторами тока, напряжения, влажности, давления или освещённости.

Воспроизводимость – возможность воспроизведения единицы физической величины (на основе ее теоретического определения) с наименьшей по-

7

грешностью для существующего уровня развития измерительной техники. Это достигается путем постоянного исследования эталона в целях определения систематических погрешностей и их исключения путем введения соответствующих поправок.

Сличаемость – возможность обеспечения сличения с эталоном других средств измерений, нижестоящих по поверочной схеме, в первую очередь вторичных эталонов, с наивысшей точностью для существующего уровня развития техники измерений. Это свойство предполагает, что эталоны по своему устройству и действию не вносят каких-либо искажений в результаты сличений и сами не претерпевают изменений при проведении сличений.

3. Классификация эталонов основных величин

Первичный эталон обеспечивает воспроизведение единицы с наивысшей в стране точностью. Первичные эталоны – это уникальные средства измерений, часто представляющие собой сложнейшие измерительные комплексы, созданные с учетом новейших достижений науки и техники. Они составляют основу государственной системы обеспечения единства измерений. Первичный эталон может быть специальным, государственным, национальным и международным.

Специальный эталон обеспечивает воспроизведение единицы в особых условиях, в которых первичный эталон не может использоваться и прямая передача размера единицы от первичного эталона с требуемой точностью технически неосуществима (например, на высоких и сверхвысоких частотах, в начале и конце участков диапазонов измерений и т. д.). Первичные и специальные эталоны являются исходными для страны, их утверждают в качестве государственных.

Исходный эталон – это эталон, обладающий наивысшими метрологическими свойствами из имеющихся (в данной лаборатории, организации, на предприятии) эталонов, из которых получают размер единицы подчиненные средства измерений. Эталоны, стоящие в поверочной схеме ниже исходного эталона, называют подчиненными.

Государственный эталон – это первичный или специальный эталон, признанный решением уполномоченного государственного органа в качестве исходного на территории государства. Государственные эталоны создаются, хранятся и применяются центральными метрологическими научными институтами страны. Точность воспроизведения единицы должна соответствовать уровню лучших мировых достижений и удовлетворять современным потребностям науки и техники. В состав государственных эталонов включаются средства измерений, с помощью которых воспроизводят и (или) хранят единицу физической величины, контролируют условия измерений и неизменность воспроизводимого или хранимого размера единицы, осуществляют передачу размера единицы. Государственные эталоны подлежат периодическим сличениям с государственными эталонами других стран.

8

Национальный эталон – эталон, признанный официальным решением служить в качестве исходного для страны. Тем не менее "государственный эталон" и "национальный эталон" отражают одно и то же понятие. Вследствие этого термин "национальный эталон" применяется в случаях проведения сличения эталонов, принадлежащих отдельным государствам, с международным эталоном или же при проведении, так называемых круговых сличениях эталонов ряда стран.

Международный эталон – эталон, принятый по международному соглашению в качестве международной основы для согласования с ним размеров единиц, воспроизводимых и хранимых национальными эталонами.

Международные эталоны хранит и поддерживает Международное бюро мер и весов (МБМВ). Важнейшая задача деятельности МБМВ состоит в систематических международных сличениях национальных эталонов крупнейших метрологических лабораторий разных стран с международными

эталонами, а также между собой, что необходимо для обеспечения достоверности и единства измерений как одного из условий международных экономических связей. Сличению подлежат как эталоны основных величин системы СИ, так и производных. Установлены определенные периоды сличения. Например, эталоны метра и килограмма сличают каждые 25 лет, а электрические и световые эталоны – один раз в 3 года.

Вторичный эталон – эталон, значение которого устанавливается по первичному эталону. Вторичные эталоны являются частью подчиненных

средств хранения единиц и передачи их размеров, создаются и утверждаются в тех случаях, когда это необходимо для организации поверочных работ, а также для обеспечения сохранности и наименьшего износа государственного эталона. В состав вторичных эталонов включают средства измерений, с помощью которых хранят единицу физической величины, контролируют условия хранения и передают размер единицы. По своему метрологическому назначению вторичные эталоны делятся на следующие:

Эталон-копия предназначен для передачи размера единицы рабочим эталонам. Он создается в случае необходимости проведения большого числа поверочных работ с целью предохранить первичный или специальный эталон от преждевременного износа. Эталон-копия представляет собой копию государственного эталона только по метрологическому назначению, поэтому он не всегда является его физической копией.

Эталон сравнения применяется для взаимного сличения эталонов, которыe по тем или иным причинам нельзя непосредственно сравнивать друг с другом (например, международные сличения эталонов).

Эталон-свидетель предназначен для проверки сохранности и неизменности государственного эталона и замены его в случае порчи или утраты. В настоящее время только эталон килограмма имеет эталон-свидетель. Его основное назначение - обеспечивать возможность контроля постоянства основного эталона.

9

Рабочий эталон применяется для передачи размера единицы рабочим средствам измерений. Это самые распространенные эталоны. С целью повысить точность измерений физических величин рабочие эталоны применяются во многих территориальных метрологических органах и лабораториях министерств и ведомств. В зависимости от количества средств измерений, входящих в рабочий эталон, различают:

одиночный эталон, в составе которого имеется одно средство измерений (мера, измерительный прибор, эталонная установка) для воспроизведения и (или) хранения единицы;

групповой эталон, в состав которого входит совокупность средств измерений одного типа, номинального значения или диапазона измерений;

эталонный набор, состоящий из совокупности средств измерений, позволяющий воспроизводить и (или) хранить единицу в диапазоне, представляющем объединение диапазонов указанных средств. Например, эталонные разновесы (набор эталонных гирь).

Если эталон (иногда специальной конструкции) предназначен для транспортирования к местам поверки (калибровки) средств измерений или сличения эталонов данной единицы, то он называется транспортируемым.

Погрешности государственных первичных и специальных эталонов характеризуются неисключенной систематической погрешностью и нестабильностью. Неисключенная систематическая погрешность описывается границами, в которых она находится. Случайная погрешность определяется средним квадратическим отклонением (СКО) результата измерений при воспроизведении единицы с указанием числа независимых измерений. Нестабильность эталона задается изменением размера единицы, воспроизводимой или хранимой эталоном, за определенный промежуток времени.

Оценка погрешностей вторичных эталонов характеризуется отклонением размеров хранимых ими единиц от размера единицы, воспроизводимой первичным эталоном.

Для вторичного эталона указывается суммарная погрешность, включающая случайные погрешности сличаемых эталонов и погрешности передачи размеров единицы от первичного (или более точного) эталона, а также нестабильность самого вторичного эталона.

Суммарная погрешность вторичного эталона характеризуется либо средним квадратическим отклонением результат измерений при его сличении с первичным эталоном, либо доверительной границей погрешности с доверительной вероятностью 0,99. Передача размеров единиц физических величин от эталонов рабочим мерам и измерительным приборам осуществляется с помощью рабочих эталонов.

Образцовым средством измерений называется мера, измерительный прибор или преобразователь, служащие для поверки и контроля по ним других средств измерений и утвержденных в качестве образцовых.

Рабочими называют такие средства измерений, которые применяются для измерений, не связанных с передачей размера единиц.

10