Основы метрологии. Учебное пособие по дисциплине «Метрология. Стандартизация. Сертификация»

где Q – измеряемая величина;

X – числовое значение измеряемой величины в принятой единице измерения;

[Q]– выбранная для измерения единица.

Взависимости от того, на какие интервалы разбита шкала, один и тот же размер представляется по-разному. Допустим, измеряется длина отрезка прямой в 10 см с помощью линейки, имеющей деления в сантиметрах и миллиметрах.

Для первого случая Q1 = 10 см при X1 = 10 и [Q1]= 1

см.

Для второго случая Q2 = 100 мм при X2 = 100 и [Q2]=

1 мм.

При этом Q1 = Q2, так как 10 см = 100 мм. Применение различных единиц в процессе измерения

приводит только к изменению численного значения результата измерения.

Цель измерения – получение определенной физической величины в форме наиболее удобной для пользования. Любое измерение заключается в сравнении данной величины с некоторым ее значение, принятым за единицу сравнения. Такой подход выработан практикой измерений, исчисляемой сотнями лет. Еще великий математик Л.Эйлер утверждал: «Невозможно определить или измерить одну величину иначе как, приняв в качестве известной другую величину этого же рода и указав соотношение в котором они находятся».

Измерения как экспериментальные процедуры весьма разнообразны и классифицируются по разным признакам.

По способу получения информации. Эта классификация позволяет получить удобное выделение

31

методических погрешностей измерений и предусматривает деление измерений на прямые, косвенные, совокупные и совместные.

Прямое измерение – это измерение, при котором искомое значение физической величины получают непосредственно, значение находится непосредственно по показаниям средства измерения при сравнении физической величины с ее мерой. В современных приборах микропроцессорной техники операция вычислений может представлять внутреннюю неотделимую процедуру, а погрешность расчета входит в погрешность измерительного прибора. В таком случае измерения, проведенные с помощью такого прибора, должны быть отнесены к прямым.

Косвенное измерение – это определение искомого значения физической величины на основании результатов прямых измерений других физических величин, фундаментально связанных с искомой величиной. Фактически речь идет не об измерительной операции, а о выполнении ручной или автоматической вычислительной операции после получения результатов прямых измерений.

определяют путем решения системы уравнений, получаемых при измерении этих величин в различных

одновременно измерения двух или нескольких величин для определения зависимости между ними.

32

одновременно определяется несколько одноименных величин, а при совместных – несколько разноименных величин.

По отношению с основным единицам. Эта классификация предусматривает деление измерений на абсолютные и относительные.

Абсолютное измерение – это измерение, основанное на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значения физической константы. Например, измерение силы основано на измерении физической константы g.

Относительное измерение – это измерение отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерение изменения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную. Хотя при этом может существовать зависимость результата от выбранной единицы измерения, относительные измерения дают более точные результаты, чем абсолютные, так как не содержат погрешности меры величины.

По количеству замеров информации.

Однократное измерение – это измерение, выполненное один раз.

Многократное измерение – это измерение физической величины одного того же размера, результат которого получен из нескольких следующих друг за другом измерений, то есть состоящих из ряда однократных измерений.

По характеристике точности измерения.

Равноточные измерения – ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности

33

средствами измерений в одних и тех же условиях с одинаковой тщательностью.

Неравноточные измерения – ряд измерений какой-

либо величины, выполненных различающимся по точности средствам измерений (или) в разных условиях.

По характеру динамики измеряемой величины.

Статическое измерение (static measurement) – это измерение физической величины, принимаемой в соответствии с конкретной измерительной задачей за неизменную на протяжении времени измерения.

Статистические измерения связаны с определением характеристик случайных процессов (звуковых сигналов, уровня шума и т.д.), а также с определением закономерностей общественной деятельности человека.

Динамические измерения (dynamic measurement) – это измерение изменяющейся по размеру физической величины.

Такая градация измерений связана с решением об учете или пренебрежении скорости изменения измеряемой величины и необходимости вычисления динамической погрешности.

По метрологическому назначению.

Технические измерения проводятся рабочими средствами измерения и принимается наперед заданная погрешность, достаточная для решения данной практической задачи.

Метрологические измерения выполняются при помощи эталонов с целью воспроизведения единиц физических величин для передач их размера рабочим средствам измерения.

Под методом измерений понимают совокупность приемов использования принципов и средств измерений,

34

выбранную для решения конкретной измерительной задачи. В понятие метода измерений входят как теоретическое обоснование принципов измерения, так и разработка приемов применения средств измерения.

Принцип измерения – это физическое явление (физический эффект), положенное в основу измерений.

К наиболее распространенным физическим эффектам, используемым при измерении, относятся: пьезоэлектрический, термоэлектрический, фотоэлектрический.

Метод измерения (method of measurement) – это прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. Методы измерений классифицируют по нескольким признакам: по общим приемам получения результатов измерений, по условиям измерения и по способу сравнения измеряемой величины с

ее единицей. Искомое значение физической величины находится посредством сопоставления ее с мерой, материализирующей единицу этой величины. Выделяют следующие методы измерений

По способу получения значений измеряемых величин

различают два основных метода: метод непосредственной оценки и метод сравнения с мерой.

Метод непосредственной оценки – метод, в котором искомое значение физической величины определяют непосредственно по отчетному устройству средства измерения, которое проградуировано в соответствующих единицах.

Метод сравнения с мерой – метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой (например, сравнение массы на

35

рычажных весах). Отличительной чертой методов сравнения с мерой 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 отчетное устройство (шкалу) средства измерения заранее, при его градуировке. Обязательным в методе сравнения с мерой является наличие сравнивающего устройства. Метод сравнения с мерой имеет несколько разновидностей:

-нулевой метод (или метод полного уравновешивания)

–метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и встречного воздействия меры на сравнивающее устройство сводятся к нулю (рис 7, а). Измерение массы на равноплечных весах,

СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

Так как измеряются свойства, общие в качественном отношении многим объектам или явлениям, эти свойства без участия органов чувств человека должны быть какимто образом обнаружены, в чем-то должны проявляться. Технические устройства, предназначенные для обнаружения (индикации) физических свойств, называются индикаторами. Стрелка магнитного компаса, например, - индикатор напряженности магнитного поля; осветительная электрическая лампочка - индикатор электрического напряжения в сети; лакмусовая бумага - индикатор активности ионов водорода в растворах.

36

С помощью индикаторов устанавливается только наличие измеряемой физической величины, интересующего нас свойства материи. В этом отношении индикаторы играют ту же роль, что и органы чувств человека, но значительно расширяют их возможности. Человек, например, слышит в диапазоне частот от 16 до 20 кГц, в то время как техническими средствами обнаруживаются звуковые колебания в диапазоне от инфранизких (доли герца) до ультравысоких (десятки и сотни килогерц) частот. Видят люди в узком оптическом диапазоне электромагнитных волн, а инструментальнорегистрируются электромагнитные колебания от сверх низкочастотных радиоволн с частотой, составляющей доли герца, до высокоэнергетического уровня гамма-излучения с частотой порядка 1022 Гц. В то же время не созданы еще технические устройства, которые могли бы соперничать с обонянием человека или животных.

Так как индикаторы должны лишь реагировать на проявление свойств окружающего мира, важнейшей их технической характеристикой является порог реагирования (иногда его называют порогом чувствительности). Чем меньше порог реагирования, тем более слабое проявление свойства регистрируется индикатором. Современные индикаторы обладают очень низкими порогами реагирования, лежащими на уровне фоновых помех и собственных шумов аппаратуры. Последние имеют тепловую природу, поэтому для их снижения чувствительные элементы и электронные узлы особо чувствительных индикаторов охлаждают до температуры, близкой к абсолютному нулю. Селекцию (выделение) сигналов на фоне помех осуществляют с помощью специальных фильтров и накопителей. За счет этих и

37

некоторых других мер порог чувствительности радиотелескопов, например, в сантиметровом диапазоне радиоволн доведен до 1018 Вт.

Однако обнаружить физическую величину и измерить ее - далеко не одно и то же. Как уже отмечалось, для измерения необходимо сравнить неизвестный размер с известным и выразить первый через второй в кратном* или дольном* отношении. Если физическая величина известного размера есть в наличии, то она непосредственно используется для сравнения. Так измеряют длину линейкой, плоский угол транспортиром, массу с помощью гирь и весов, электрическое сопротивление с помощью магазина сопротивлений. Если же физической величины известного размера в наличии нет, то сравнивается реакция (отклик) прибора на воздействие измеряемой величины с проявившейся ранее реакцией на воздействие той же величины, но известного размера. Так измеряют: силу электрического тока - амперметром, электрическое напряжение - вольтметром, скорость - спидометром, давление - манометром, термодинамическую температуру - термометром и т. д.

От индикаторов эти измерительные приборы отличаются тем, что обеспечивают сравнение откликов на воздействие двух разных размеров физической величины (известного и неизвестного). При этом предполагается, что соотношение между откликами такое же, как и между сравниваемыми размерами. Для облегчения сравнения отклик на известное воздействие еще на стадии изготовления прибора фиксируют на шкале отсчетного устройства, после чего разбивают шкалу на деления в кратном и дольном отношении. Эта процедура называется градуировкой шкалы. При измерениях она позволяет по

38

положению указателя получать результат сравнения непосредственно на шкале отношений.

Все технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические характеристики*, называются средствами измерений. К ним относятся вещественные меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки и измерительные системы. Индикаторы к средствам измерений не относятся.

Вещественные меры предназначены для воспроизведения физической величины заданного размера, который характеризуется так называемым номинальным значением. При условии, что указывается точность, с которой воспроизводится номинальное значение физической величины, гиря является мерой массы, конденсатор - емкости, кварцевый генератор - частоты электрических колебаний и т. д. Различают однозначные и многозначные меры, а также наборы мер. Например, гиря и измерительный конденсатор постоянной емкости - это однозначные меры, масштабная линейка я конденсатор переменной емкости - многозначные меры, а набор гирь и набор измерительных конденсаторов являются наборами мер. Сравнение с мерой выполняют с помощью специальных технических средств - компараторов. Компараторами служат равноплечие весы, измерительный мост и т.д. Иногда в качестве компараторатора выступает человек (например, при измерении длины линейкой).

Измерительные преобразователи - это средства измерений, вырабатывающие сигналы измерительной информации в форме, удобной для дальнейшего преобразования, передачи, хранения, обработки, но как правило, недоступной для непосредственного восприятия

39

наблюдателем. Измерительные преобразователи получили очень широкое распространение. К ним относятся термопары, измерительные усилители, преобразователи давления и многие другие виды измерительных устройств. По месту, занимаемому в измерительной цепи, они делятся на первичные, промежуточные и т. д. Конструктивно преобразователи являются либо отдельными блоками, либо составной частью средства измерений. Если преобразователи не входят в измерительную цепь и их метрологические свойства не нормированы, то они не относятся к измерительным. Таковы, например, операционный усилитель, делитель напряжения в цепи электропитания, силовой трансформатор и т. п.

Измерительная цепь: 1-первичный измерительный преобразователь с чувствительным элементом 2; 3- промежуточные измерительные преобразователи

Измерительный прибор представляет собой совокупность преобразовательных элементов, образующих измерительную цепь, и отсчетного устройства. В отличие от вещественной меры прибор не воспроизводит известное значение физической величины. Измеряемая величина должна подводиться к нему и воздействовать на его первичный преобразователь.

Измерительные установки состоят из функционально объединенных средств измерений и вспомогательных устройств, собранных в одном месте. В измерительных системах эти средства и устройства территориально разобщены и соединены каналами связи. И в установках, и в системах выходной сигнал измерительной информации может иметь форму, удобную как для непосредственного восприятия, так и для автоматической обработки, передачи

40