Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Метрология, стандартизация, подтверждение соответствия. Учебное пособие
.pdf
средству измерений. Неизменность размера единицы обеспечивается как
соблюдением определённых условий хранения и эксплуатации
(температура, влажность в помещении и др.) данного СИ (эталона), так
и регулярностью определения его метрологических характеристик,
которые и свидетельствуют о сохранении или не сохранении размера
единицы.
Передача единицы величины – приведение единицы величины,
хранимой СИ, к единице величины, воспроизводимой эталоном данной
единицы величины или стандартным образцом. Размеры единиц
передаются в соответствии с установленными (узаконенными)
поверочными схемами.
Поверочная схема для СИ – нормативный документ,
устанавливающий соподчинение средств измерений, участвующих в
передаче размера единицы от государственного первичного эталона
рабочим средствам измерений. Различают государственные и локальные
поверочные схемы.
Государственная поверочная схема - поверочная схема,
распространяющаяся на все СИ данной физической величины,
имеющиеся в стране (рис. 3).
31
Рабочие
Наивысшая
Высшая
Высокая
Средняя
Низкая
Рабочие
1 мг
100 мг
соответственно.
эталоны
Рисунок 3 - Упрощенный вид государственной поверочной схемы
государственной поверочной схемы иллюстрирует, что размер единицы
передаётся последовательно от первичного эталона («сверху») к
вторичным и рабочим эталонам, а далее к рабочим средствам измерений
(«вниз»).
1- разряд
2- разряд
3- разряд
4- разряд
Приведённое на рисунке 3 схематическое изображение
Государственный первичный эталон
Вторичный эталон
точность
10 мг
точность
30 мг
точность
точность
точность
Гири 5, 6 классов, используются в торговле, с
допустимыми отклонениями 200мг и 500мг,
СИ
32
Последние обладают различной точностью измерений
(погрешностью измерений), зависящей от числа ступеней передачи.
Отметим, что для каждой ступени поверочной схемы регламентируется
как методика процедуры передачи размера (используемый метод
поверки или калибровки), так и допускаемая при этом погрешность
измерений.
Наиболее точные рабочие средства измерений (наивысшей и
высшей точности) получают размер от вторичных и рабочих эталонов
1-го разряда. При передаче размеров от наименее точных эталонов (2,3,4
–го разрядов) соответственно снижается и категория рабочих средств
измерений (высокой, средней, низкой точности). На каждой ступени
передачи размера точность уменьшается в 3-5 раз, следовательно,
поверка (калибровка) высокоточного рабочего СИ должна
осуществляться по схеме с наименьшим числом ступеней.
Государственный первичный эталон массы - гиря, массой 1кг из
платино-иридиевого сплава с погрешностью воспроизведения 2.·10-9кг,
который хранится во ВНИИМ им. Менделеева (г. Санкт-Петербург).
Государственные поверочные схемы воспроизведения и передачи
единиц величин, утверждённые в установленном Правительством РФ
порядке, являются основой для разработки локальных поверочных схем,
которые должны соответствовать установленным требованиям
соподчинённости СИ в государственных схемах.
Локальная поверочная схема – поверочная схема,
распространяющаяся на средства измерений данной физической
величины, применяемые в регионе, отрасли, ведомстве или на отдельном
предприятии. В частности, разработанные на предприятии локальные
поверочные схемы
(не противоречащие государственным схемам) могут служить основой
для организации и ведения деятельности по калибровке имеющегося
парка средств измерений.
1.2.5 Понятие о средствах измерений
Для технически грамотной организации и проведения измерений
ФВ необходимо наличие разработанной и аттестованной методики
выполнения измерений (МВИ). Методика выполнения измерений
(метод измерений) – совокупность конкретно описанных операций,
выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с
установленными показателями точности.
33
Составной частью любой МВИ является правильно выбранное
средство измерений (СИ). СИ – техническое средство, предназначенное
для измерений. Из определения СИ следует, что к СИ не относятся
технические средства, которые предназначены только для обнаружения
наличия ФВ, для этого существуют так называемые индикаторы,
например, компас, индикаторы излучений, лакмусовая бумага и др.
Признаком СИ является его способность измерять ФВ. Например,
амперметр не только покажет, что в цепи есть ток (это можно сделать с
помощью электрической лампочки), но и позволяет измерить силу тока
по шкале прибора, которая, естественно, была ранее отградуирована по
откликам (по зафиксированным положениям стрелки прибора) при
подаче на прибор известных величин тока. Т.е., осуществив градуировку,
мы тем самым «обучаем», заставляем СИ хранить или воспроизводить
единицу ФВ. Причём устройство этого СИ должно обеспечивать
неизменность во времени размера хранимой или воспроизводимой
единицы, именно это позволяет получать неизменные 5 А при измерении
одной и той же ФВ вчера, сегодня и завтра одним и тем же амперметром.
По метрологическому назначению СИ можно подразделить на
рабочие средства измерений и эталоны. Информация об эталонах единиц
ФВ приведена в разделе 1.2.4.
Рабочее средство измерений – СИ, предназначенное для
технических измерений, не связанных с передачей размера единицы
другим средствам измерений: для проведения рутинных измерений в
лабораторных, производственных или полевых условиях.
По конструктивному исполнению СИ подразделяются на :
меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы,
измерительные установки и измерительные системы.
Мера ФВ – СИ, предназначенное для воспроизведения и (или)
хранения ФВ одного или нескольких заданных размеров, значения
которых выражены в установленных единицах и известны с
необходимой точностью. Различают меры однозначные (гиря 1кг,
мерный стакан
50 см 3), многозначные (например, масштабная линейка, мерный стакан
с делениями), наборы мер (например, разновесы, набор концевых мер
длины), магазин мер – набор мер, объединённых в единое устройство
(например, магазин электрических сопротивлений).
Обычно сравнение (сличение) с мерой выполняют с помощью
специальных технических средств, называемых компараторами.
Например, при сопоставлении электрических сопротивлений используют
измерительный мост, а при сопоставлении гирь – рычажные весы, на
34
одну чашку которых устанавливается эталонная гиря, а на другую –
поверяемая гиря. Особую категорию СИ, выполняющих роль мер,
составляют стандартные образцы состава и стандартные образцы свойств
вещества (материала).
Стандартный образец – образец вещества (материала) с
установленными по результатам испытаний значениями одной или более
величин, характеризующих состав или свойство этого вещества
(материала). Например, образцы свойств: образцы твёрдости,
шероховатости, цвета; образцы состава: чистого металла, грунта.
Измерительный преобразователь – техническое средство с
нормированными характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал,
удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований или передачи. Например, к ним относятся термопара, преобразующая перепад
температуры в электрический сигнал, фотоэлемент, преобразующий световой сигнал в электрический.
Измерительный прибор - СИ, предназначенное для получения
значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне,
например, амперметр, вольтметр, микрометр. Измерительный прибор,
как правило, содержит измерительный преобразователь и отсчётное устройство - шкалу со стрелкой, цифроуказатель. Например, у жидкостного
термометра измерительным преобразователем является баллон с жидкостью (ртутью, этиловым спиртом), а отсчётным устройством - измерительная шкала.
Измерительная установка – совокупность функционально объединённых СИ (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей) и других (вспомогательных) устройств, предназначенных для
измерения одной или нескольких ФВ и расположенная в одном месте.
Например, для простейшего способа измерения электрического сопротивления (R) нужна установка, включающая источник питания и два измерительных прибора (амперметр и вольтметр). Измеряя ими значения U
и I (напряжение и ток), по закону Ома определяем R= U / I.
Измерительная система – совокупность функционально объединённых СИ (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей), ЭВМ и других технических средств, размещённых в разных
точках контролируемого объекта, с целью измерений одной или нескольких ФВ, свойственных этому объекту, и выработки измерительных
сигналов в разных целях. Например, радионавигационная система для
определения местонахождения судов, самолётов или измерительная
система для определения скорости движения снаряда (пули).
35
Необходимо отметить, что в новой редакции (2008 года.) ФЗ РФ
«Об обеспечении единства измерений» используется новые термины для
оборудования, применяемого для измерений (испытаний) – технические
системы и устройства с измерительными функциями. Под ними понимаются: технические системы и устройства, которые наряду с их основными функциями выполняют измерительные функции. Понятно, что под
это определение подпадает различное испытательное оборудование, например, разрывная машина, устройство которой не только обеспечивает
необходимые условия для осуществления процедуры растяжения образцов материалов (возможность закрепления образцов в захватах машины,
установление заданной скорости деформирования, обеспечение температурных режимов), но и представляет возможность измерения физико-механических характеристик образца: модуля Юнга, прочности на разрыв,
величин упругой и пластической деформации.
Более 1,5 миллиардов единиц СИ используется на практике в
России, при этом техническое совершенство, точность и возможность
применения любого СИ определяется на основе их метрологических характеристик.
1.2.6 Метрологические характеристики СИ
Метрологическая характеристика – характеристика одного из
свойств СИ, влияющая на результат измерений и его погрешность.
Различают нормируемые и действительные метрологические
характеристики. Метрологические характеристики, установленные в
нормативных или технических документах (стандартах, технических
условиях, эксплуатационных документах на СИ), называют
нормируемыми, а определяемые экспериментально – действительными
метрологическими характеристиками. Для каждого типа средств
измерений характерна своя номенклатура метрологических
характеристик, которая устанавливается (до десяти и более
нормируемых показателей) в зависимости от точности СИ, его
назначения, условий эксплуатации и других факторов.
Обычно метрологические характеристики нормируют раздельно
для нормальных и рабочих условий применения СИ, которые
указываются в нормативных или в эксплуатационных документах на СИ.
Под нормальными понимаются условия измерения, характеризуемые
совокупностью значений влияющих величин или областей значений
влияющих величин, при которых изменением результата измерений
пренебрегают вследствие малости.
36
Из приведённых определений следует, что в качестве
нормальных условий могут быть установлены как отдельные значения
влияющих величин (например, определены конкретные величины
температуры и влажности при проведении поверки данного СИ) или
определены их допустимые диапазоны. Так, для многих видов СИ
нормальными условиями применения являются следующие области:
температур – (293 ± 5) К, атмосферного давления – (100 ± 4) кПа,
относительной влажности – (65 ± 15) %, электрическое напряжение в
сети питания –
(220 ± 20) В.
Рабочие условия применения СИ отличаются от нормальных
более широкими допустимыми диапазонами изменения значений
влияющих величин, в пределах которых нормируют дополнительную
погрешность или изменение показаний СИ.
Основными метрологическими характеристиками, которые
указываются в стандартах, ТУ и в технической документации на
конкретные СИ, являются: диапазон измерений, порог чувствительности
и различные составляющие погрешности, определяющие точность СИ.
Диапазон измерений СИ – область значений величины, в
пределах которой нормированы (установлены) допускаемые пределы
погрешности СИ. Значения величины, ограничивающие диапазон
измерений снизу и сверху (слева и справа), называют соответственно
нижним и верхним пределами измерений. Обычно они совпадают с
начальным и конечным значениями шкалы СИ, например, для
медицинского термометра таковыми являются 34,3 °С и 42,0 °С,
соответственно.
Порог чувствительности СИ – характеристика СИ в виде
наименьшего значения изменения физической величины, начиная с
которого может осуществляться её измерение данным средством.
Например, если самое незначительное изменение массы, которое
вызывает перемещение стрелки весов, составляет 1 г, то порог
чувствительности данных весов равен 1 г. Понятно, что указанные выше
метрологические характеристики (диапазон измерений и порог
чувствительности) в значительной степени определяют область
применения СИ. Например, если нужно получить навеску вещества в
10мг, то весами с чувствительностью 1 г невозможно воспользоваться, а
измерить температуру, близкую к 100°С, медицинским термометром
также невозможно.
Точность СИ – характеристика качества СИ, отражающая
близость его погрешности к нулю. Считается, что чем меньше
37
погрешность, тем точнее СИ. Когда указывается погрешность измерения
для СИ, например, ± 0,5 МПа, то следует говорить о погрешности, а не о
точности. Точность является обратной величиной погрешности. Ранее
(см. пункт 1.2.2) уже говорилось о погрешностях, но о погрешностях
измерений. Там рассматривались как бы кумулятивные (суммарные)
погрешности, которые появляются от всех составляющих процесса
измерений: от правильности отбора и подготовки образцов для
измерений, от корректности выбора метода измерений, от ошибок
оператора, от правильности обработки результатов измерений, от
погрешности выбранного СИ (инструментальная погрешность). Именно
инструментальные погрешности (как часть погрешности измерений,
вносимые СИ в результаты измерений), а точнее – их допускаемые
пределы и выступают в качестве метрологических характеристик СИ.
При рассмотрении погрешностей СИ используют классификацию,
понятия и определения, которые уже приводились для погрешностей
измерений, но в привязке не ко всему процессу измерений, а только к
применяемым СИ. Например, приведённое ранее (при рассмотрении
измерений) определение погрешности измерений - отклонение
результата измерений от истинного (действительного) значения
измеряемой ФВ, несколько видоизменяется, не претерпевая изменений
по существу: погрешность СИ – разность между показанием СИ и
действительным значением измеряемой физической величины.
Отметим, что в качестве метрологических характеристик СИ
применяются различные виды погрешностей, которые могут быть
классифицированы по тем же признакам, которые использовались при
классификации погрешностей измерений, в частности:
- по способу выражения значений различают – абсолютные,
относительные, приведённые;
- по причинам появления – систематические, случайные;
- по отношению к изменяемости измеряемой величины – динамические,
статические.
- по условиям применения СИ – основные, дополнительные;
Сущности систематической, случайной, статической,
динамической погрешностей СИ легко воспринимаются из определений
соответствующих погрешностей измерений, но относящихся только к
СИ. Понятно, что при представлении результатов измерений необходимо
учитывать эти погрешности. Разберём этот учёт на следующем примере.
При измерении усилия динамометр показывает F=1000 Н, погрешность
тарировки составляет минус 50 Н. Среднее квадратическое отклонение
показаний σ =10 Н. Укажите доверительные границы для истинного
38
значения измеряемого усилия с вероятностью Р = 0,95 (коэффициент
Стьюдента t равен 2). Предлагаемые варианты результатов измерений:
F=(950 ±20) Н;
F=(1000 ±20) Н; F=(1000 ±60) Н; F=(1050 ±20) Н. Из условий следует:
систематическая погрешность составляет минус 50 Н, (т.е. СИ всё время
занижает результаты измерений). Следовательно, результат измерения с
исключённой систематической погрешностью будет составлять 1000 +
50 = 1050 Н. Случайная погрешность (Δ) рассчитывается по формуле:
Δ = ± t · (S / √n ) = ± 2 · (10 / √1 ) = ± 20 Н. Следовательно, правильно
представленным результатом измерения будет
F=(1050 ±20) Н.
Основная погрешность СИ - погрешность СИ, применяемого в
нормальных условиях.
Дополнительная погрешность СИ – составляющая
погрешности СИ, возникающая дополнительно к основной погрешности
вследствие отклонения какой-либо из влияющих величин от
нормального её значения или вследствие её выхода за пределы
нормальной области значений. Все указанные виды погрешностей могут
быть выражены в форме предельно допустимых абсолютных,
относительных или приведённых погрешностей.
О сущности абсолютной погрешности (Δ) мы говорили, а её
допускаемый предел выражается в виде:
Δ= ± a (2)
или Δ= ± (а + bх), (3)
где Δ – пределы допускаемой абсолютной погрешности, выраженной в
единицах измеряемой величины, например, для амперметра - ± 0,5 А;
х – значение измеряемой величины, полученное с помощью данного СИ;
а, b – положительные числа, не зависящие от «х».
Сущность относительной погрешности (δ) указана в пункте 1.2.2., а её
допускаемый предел выражается формулами:
δ= Δ / х = ± q, (4)
δ = ±[c + d (|Х k / х| - 1)], (5)
где δ – пределы допускаемой относительной погрешности, %;
q – отвлечённое положительное число, выбираемое из ряда
(1; 1,5; 2; 2,5; 4; 5; 6)·10n, где n= (…-2; -1; 0; 1; 2…);
Хk – больший (по модулю) из пределов измерений;
c, d – положительные числа, также выбираемые из этого ряда.
Погрешность, вычисляемую по формуле (5), иногда называют
мультипликативной.
39
Отметим, что в обоснованных случаях пределы допускаемых
абсолютной и относительной погрешностей устанавливают по более
сложным формулам, в виде графика или таблицы.
Приведённая погрешность СИ – относительная погрешность,
выраженная отношением абсолютной погрешности СИ к нормирующему
значению величины, постоянному во всём диапазоне измерений или в
части диапазона.
Пределы допускаемой приведённой погрешности
(γ, %) определяются по формуле:
γ= (Δ / ХN) = ± p,
где p – отвлеченное положительное число, выбираемое из приведённого
выше ряда;
ХN – нормирующее значение, выраженное в тех же единицах, что и Δ.
В качестве нормирующего значения (ХN) в зависимости от
конкретной ситуации могут быть использованы различные величины:
- для СИ с установленным номинальным значением нормирующее
значение устанавливают равным этому номинальному значению,
например, для частотомера с диапазоном измерений от 45 до 55 Гц и
номинальной частотой 50 Гц принимают ХN= 50Гц;
- для большинства СИ за нормирующее значение принимают величину
диапазона измерений. Примеры:
а) для амперметра с границами диапазона от 0 до 50 А принимается
ХN= 50 А;
б) для милливольтметра термоэлектрического термометра с пределами
измерений 200 и 600 °С принимается ХN= 400 °С;
в) для жидкостного термометра с границами диапазона измерений от -50
°С и до +50 °С принимается ХN=100 °С;
г) в отдельных случаях, указанных в документации на СИ, допускается
принятие за ХN значения, равного большему из модулей пределов
измерений (если нулевое значение находится внутри диапазона
измерений), например, для манометрического термометра с границами
диапазона измерений от -100 °С и до +50 °С принимается ХN= 100 °С.
В производственной практике часто пользуются обобщённой
метрологической характеристикой – классом точности СИ.
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]