4.3. Өлшеу бірлігін қамтамасыз ету. Өлшеу әдістері мен жабдықтар

Өлшем бірлігін қамтамасыз ету

Өлшем бірлігін қамтамасыз ету үшін физикалық шамалардың өлшеуге арналған барлық өлшеу құралдары тепе-теңдік бірліктер арқылы градуирленген болу қажет. Бұны қамтамасыз ету үшін физикалық шама бірліктерін дәл жаңғырту, сақтау және оларды өлшеу құралдарына беру керек.

Физикалық шама (ФШ) бірлігін жаңғырту – бұл мемлекеттік эталон арқылы ең жоғарғы дәлдікпен ФШ бірлігін материя түрінде дүниеге келтіруге арналған операциялар жиынтығы.

Негізгі бірлікті жаңғырту - бұл ФШ өлшемінің бірлігін осы бірліктің анықтамасына сәйкес жаңғырту.

Туынды бірлікті жаңғырту - бұл тікелей өлшеу негізінде анықталған, өлшенуші шамамен функционалды түрде байланысты басқа шамалар арқылы ФШ–дың бірліктерін анықтау.

Бірлік мөлшерін тапсыруы – эталон арқылы жаңғыртатын немесе сақталынатын өлшем бірлігін салыстырып тексеру немесе калибрлеу арқылы өлшеу құралдарына тапсыру.

Бірлікті сақтау – уақыт өту барысында өлшем бірліктің өзгеріссіз қалуын қамтамасыз ететін операциялар жиынтығы.

Эталондар

Эталон деп физикалық шамалардың бірліктерін жаңғыртып, сақтап және тұтынушыларға беріп отыруды қамтамасыз ететін, белгілі тәртіппен бекітілген өлшеу құралын айтады.

Эталондар өздерінің өлшеу дәлдігі, қолданылу қызметі бойынша бірнеше топқа белінеді.

Егер эталон шаманың бірлігі мемлекет көлемінде ең жоғары дәлдікпен жаңғыртса, онда ол бірінші эталон деп аталады.

Шама бірлігін ерекше жағдайда жаңғыртатын эталонды арнайы эталон деп атайды. Бірінші және арнайы эталондарды стандарттау жөніндегі мемлекеттік комитеті бекітіп, оларға арнайы белгі соғылады.

Негізгі бірліктер мемлекеттік эталондардың көмегімен бip орталықтан жаңғыртылады, ал қосымша және туынды бірліктер бip орталықта немесе жер-жердегі метрологиялық қызмет орындарында жаңғыртыла береді.

Метрологиялық тәжірибеде бірінші эталондардың көшірмесі болып табылатын екінші эталондар кеңінен қолданылады. Қолданылу қызметі жағынан екінші эталон көшірме-эталон, салыстырма-эталон, куәгер-эталон және жұмыс-эталондары болып бөлінеді.

Көшірме-эталон біліктерді сақтап, оларды қажет жағдайда жұмыс эталондарына беріп отыру үшін пайдаланылады.

Салыстыру эталоны өзара салыстырыла алмайтын екі эталонды бip-бipiмен салыстыру үшін қажет.

Куәгер - эталон мемлекеттік эталон сынып немесе жоғалып қалғанда, оны орнына қолданылады.

Жұмыс эталоны өндіріс орындарында (зауыттарда) өлшеуіш приборларды жасағанда пайдаланылады.

Екінші эталондар жасалыну құрылымы жағынан мынадай эталондарға бөлінеді: өлшеу құралдары кешені; жеке - дара эталондар; топ эталондар; эталондар жиыны.

Жеке дара эталоны бip ғана мөлшерден, өлшеу құралынан немесе өлшеу қондырғысынан тұрады. Ол басқа осы типтес құралдардың көмегінсіз бірліктерді жаңғырта алады және сақтай алады. Жеке - дара эталонына мысалға платина - иридий қоспасынан жасалған килограмм эталоны жатады.

Топ эталондар бip типтес мөлшерлер жиынтығынан құралады. Бірнеше өлшеу құралдарынан тұратын бұл топ бәpi қосылып бip ғана бірлікті жаңғыртады және сақтайды. Мұндай эталондарға мысал ретінде 20 қалыпты элементтен тұратын вольт эталоны жатады. Топ эталондардың көрсеткен мәліметі оның әрбір элементінің берген мәліметтерінің орташа арифметикалық мәнінен құралады.

Физикалық шаманың бірлігі белгілі бip интервалда (диапазонда) сақтайтын немесе жаңғыртатын мөлшерлер немесе өлшеуіш приборлар жиынтығын эталондар жиыны деп атайды. Оған мысалға сұйықтың тығыздығын тығыздықтың әр түрлі диапазондарында жаңғыртатын дедсиметрлер жиыны жатады.

Мемлекеттік эталондар метрологиялық институттарда сақталады. Мемлекеттік эталондармен тек арнайы мамандар ғана жұмыс істей алады. Оларды сақтаушы - ғалымдар деп атайды.

Екінші эталондар iрi мемлекеттік метрологиялық қызмет орындарында сақталады. Бүгінгі таңда Қазақстан Республикасында 18 мемлекеттік эталон бар. Олардың көпшілігі Ресейдегі эталондардың көшірмесі болып табылады.

Физикалық шамалардың бірліктерінің ұлттық эталондарынан бөлек Халықаралық эталондар делінетін өлшеу құралдары бар. Олар мөлшер мен салмақтың Халықаралық бюросында сақталады (Францияның астанасы Париждің қасындағы Севр қаласында). Бұл бюроның бағдарламасы бойынша Халықаралық эталондар белгілі бip тәртіппен ұлттық эталондармен салыстырылып тұрады. Метр мен килограмның эталондары әрбір 25 жылда бip рет салыстырылады, электрлік және жарық эталондары (вольт, ом, кандела, люмен) әрбір үш жылда бip салыстырылады.

ФШ өлшем бірліктері туралы ақпарат беру метрологиялық тізбек арқылы жүзеге асырылады.

Өлшеу әдістері.

Өлшеу әдісі жалпы түрде тікелей бағалау және салыстыру әдici болып екіге бөлінеді. Салыстыру әдісінің өзі дифференциалдық әдіс, орын басу әдici және сәйкес келу әдici болып бөлінеді.

Бірінші эталон

Эталон көшірме

Жұмыс эталондар

1-ші разрядты

2-ші разрядты

3-ші разрядты

4-ші разрядты

Жұмыс мөлшерлері және өлшеу аспаптары

Ең жоғары дәлдікті

Жоғары дәлдікті

Жоғарыға жуық дәлдікті		Орташа дәлдікті
	Төмен дәлдікті

7-сурет. Метрологиялық тізбек

Өлшеу әдістері

Өлшеу әдісі жалпы түрде тікелей бағалау және салыстыру әдici болып екіге бөлінеді. Салыстыру әдісінің өзі дифференциалдық әдіс, орын басу әдici және сәйкес келу әдici болып бөлінеді.

Егер өлшенуші шаманы сол шаманың өлшем бірлігімен немесе сол шамаға функциялық қатынаста болатын басқа шамалардың өлшем бірлігімен градуирленген біp немесе бірнеше өлшеу құралдарының көрceтyi бойынша анықтайтын болса, онда мұндай әдicтi тікелей бағалау әдісі дейді. Бұл ең көп таралған әдіс. Көптеген өлшеу құралдары осы әдіспен істейді.

Өлшеу әдісінің келесі тобы салыстыру әдісіне өлшенуші шама мөлшерлердің мәнімен салыстыру арқылы табылатын әдістep жатады.

Шаманы дифференциалды әдіспен өлшегенде өлшенуші X шаманың мәні Х = X - Х_м өрнегімен анықталады. Мұнда Х_м –мөлшердің көрсету мәні. Демек, X = Х_м + Х. Дифференциалдық әдіске мысал ретінде екі кернеудің айырымын вольтметрмен анықтауды келтіруге болады. Мұнда кернеудің бірінші мәні жоғары дәлдікпен белгілі кернеу, ал екіншісі - ізделініп отырған кернеудің мәні.

Дифференциалдық әдістің бip түрі нөлдік әдic деп аталады. Бұл әдістің ерекшелігі - екі шаманың салыстырылу мәні нөлге келтіріледі. Бұл мән өте дәл өлшеу құралы – нөл-индикатормен бақыланады. Бұл жағдайда өлшенуші шаманың мәні мөлшердің жаңғыртатын мәніне тең болады. Нөлдік әдістің бip артықшылығы оның жоғары дәлдігінде. Нөлдік әдіске мысалға бip басына өлшенуші жүкті, ал екінші басына кір тасын (гирь) салатын теңелу таразысының көмегімен өлшеуді, Уинстон көпірінің көмегімен электрлік кедергіні табуды келтіруге болады.

Орын басу әдici бойынша кезекпен iздeлiнyшi шаманы және өлшенуші шамамен біртекті болып келетін мераның шығысындағы сигналды өлшейді. Осы өлшеулер мәліметтері бойынша ізделінуші шама есептеліп табылады. Бұл әдіске мысалға шамасы үлкен активті электр кедергіні алма-кезек бақыланушы және үлгілі резисторлар арқылы өтетін токты өлшеуді келтіруге болады.

Сәйкес келу әдici бойынша өлшенуші шамамен мераның көрсетуінің айырымы шкаладағы белгілердің немесе периодты сигналдардың сәйкес келуі бойынша анықталады. Бұл әдіске мысалға нониусы бар штангенциркульдің немесе микрометрдің көмегімен өлшеуді және дененің айналу жиілігін стробоскоп арқылы табуды айтуға болады.

Өлшеу құралдары

Өлшеу құралдарының түрлері

Метрологияда өлшеу құралы деп нормаланған метрологиялық сипаттамаларға ие, белгілі уақыт аралығында (берілген қателіктер деңгейінде) өлшемі өзгермейтін физикалық шаманы жаңғыртатын немесе сақтайтын техникалық құрылғыны айтады.

Функциялдық қызметі жағынан өлшеу құралдарын екі топқа бөледі.

1. Берілген өлшемді жаңғыртушы өлшеу құралдары. Мысалы, кір тасы - берілген массаны, кедергілер жиынтығы - кедергінің әр түрлі диапазондағы мәндерін жаңғыртады.

2. Өлшенуші шаманың мәні туралы мәлімет беретін өлшеу құралдары. Мысалы, стрелкалы немесе цифрлы өлшеу құралдары.

Ғылыми және техниканың әр түрлі салаларында қолданылатын өлшеу құралдары орасан көп және сан алуан. Оларды қасиеттеріне байланысты түрлі топқа бөлуге болады.

Өлшенуші шаманың физикалық сипатына байланысты өлшеу құралдарын механикалық шамаларды өлшеуші, жылулық шамаларды өлшеуші, магнитэлектрлік шамаларды өлшеуші т.б. құралдар деп топтастырады. Өлшеу құралдарының мұндай жіктеуі шартты түрде алынғандықтан, оған тоқталмауға болады. Өлшеу құралдары олардың жұмыс icтey принципіне қатысты былай бөлінеді: мералар; өлшеу түрлендіргіштері; өлшегіш приборлар; компораторлар.

Мера деп шаманың берілген мәнін қажетті дәлдікпен жаңғырта-тын өлшеу құралын айтады.

Мералар бip мәнді және көп мәнді болып бөлінеді. Егер мера физикалық шаманың бip ғана мәнін жаңғыртса, онда ол бip мәнді деп аталады. Бір мәнді мераларға мысалға 1кг кір тасы, қалыпты элемент, сыйымдылығы, айнымалы конденсатор т.б. жатады. Бip мәнді мераларға, сондай-ак, стандарттық үлгілер мен үлгілік заттар жатады. Егер мера физикалық шаманың бірнеше өлшемін жаңғыртса, онда ол көп мәнді деп аталады. Көп мәнді мераға мералар жиыны, мералар жиынтығы т.б. жатады.

Аттестациялық қателігіне байланысты мералар разрядтарға бөлінеді. Разряд берілген мералар өлшеу құралдарын тексеріп салыстыруға қолданылады, олар үлгілік мералар деп аталады. Дәлдік класы берілген мералар жұмыс мералары болып табылады, олар техникалық өлшеулер үшін қолданылады.

Өлшеу түрлендіргіштері. 16263-70 ГОСТ бойынша өлшеу түрлендіргіштерінің анықтамасы былай беріледі. Өлшеу түрлендіргіші деп беруге, әpi қарай түрлендіруге, өңдеуге және сақтауға ыңғайлы, бірақ бақылаушыға тікелей білінбейтін пішіндегі өлшеу мәліметін шығаратын өлшеу құралдарын айтады.

Түрленуші шама - кіретін шама, алынған мәлімет - шығатын шама деп аталады. Бұл екі шаманың қатынасы түрлендіру функциясымен сипатталады. Егер түрлендіру нәтижесінде физикалық шаманың табиғаты өзгермесе, ал түрлендіру функциясы сызықты болса, онда түрлендіргіш масштабты түрлендіргіш немесе күшейткіш деп аталады.

Өлшегіш приборларға бақылаушыға қабылдауға ыңғайлы пішін-дегі физикалық шамаларды тіркейтін өлшеу құралдары жатады. Өлшегіш приборлардың ең көп тараған түрі тікелей әсер етуші приборлар. Оларға монометрлердің кейбір түрлері, термометрлер, амперметрлер, вольтметрлер, т.б. жатады.

Компораторлар. Компораторлар біртекті шамалар мераларын немесе бірнеше өлшеу приборларының көрсеткішін өзара салыстыру мақсатында қолданылатып өлшеу құралдары болып табылады. Мұндай өлшеулер кезінде негізгі өлшеуіш құралдарына қосымша бақылағыш өлшегіш құралдар қолданылады. Олардың негізгі міндеті өлшеу процесіне әсер ететін сыртқы немесе ішкі технологиялық процестің әсерін қадағалап отыру.

Өлшеу құралдарының қателіктері

Өлшеу құралдарының қателіктері жүйелік қателіктер тобына жатады. Себебі мұндай қателіктердің шамасы мен бағытын өлшеу процесі барысында тұрақты болады немесе белгілі бip заңдылыққа сүйеніп өзгереді.

Кез-келген өлшеу құралы физикалық шаманың мәнін қаншама үлкен дәлдікпен өлшенгенімен өзінің шекті мүмкіндігінен әрі дәл өлшей алмайды. Мераның Х абсолюттік қателігі деп мына шаманы түсінеді:

Х = X_ном – Х_нақ,

мұнда, X_ном - мера өлшейтін шаманың номиналды мәні, X_нақ - өлшену-ші шаманың нақты мәні.

Өлшеу приборының Х абсолютті қателігі деп шамаларының алгебралық айырымын айтады.

Х = X_к – Х_нақ,

мұнда, X_к - прибордың көрсетуі.

Өлшеу құралының салыстырмалы қателі процентпен беріледі және былай сипатталады:

Егер  «1 болса, онда X_нақ  Х_к.. Сондықтан формулада X_нақ -тың орнына X_к -ні қоюға болады. Егер өлшеу приборының шкаласының диапазоны 0-ден басталса, онда X_нақ = 0 болғанда  болады. Мұндай жағдайда келтірілген қателік пайдаланылады. Ол өлшеу приборының абсолют қателігінің осы өлшеу приборын сипаттайтын белгілі бip нормалаушы мәнге қатынасын көрсетеді:

Р-стандартталған мәндер қатарынан (1; 1,5; 1,6; 2; 2,5; 3; 4; 5)10ⁿ, мұнда n=1; 0; -1; -2 …- таңдап алынған сан. Прибордың нормалаушы мәні ретінде прибордың өлшеу диапазоны, өлшеу мәнінің жоғары шегі, шкала ұзындығы т.б. алынуы мүмкін. Нормалаушы мәнінің алыну тәртібі ГОСТ 13600-68 -де келтірілген.

Өлшеу құралдарын салыстырып тексеру

Салыстырып тексеру - өлшеу құралдарының метрологиялық сипаттамаларының қажетті талаптарға сай екендігін эксперимент жүзінде анықтау арқылы оларға өлшеу жұмыстарын жүргізуге рұқсат ету шаралар жүйесі.

Қазақстан Республикасының "Өлшем бірлігін қамтамасыз ету туралы" заңының 19-бабында бұл туралы былай делінген: "Мемлекеттік метрологиялық қaдaғaлayғa жататын өлшем құралдары өндірістен немесе жөндеуден шығару, пайдалану және импорт бойынша әкеліну кезінде салыстырылып тексеріледі.

Салыстырып тексеруді мемлекеттік қызмет, сондай-ақ, стандарттау, метрология және сертификаттау жөніндегі yәкiлeттi мемлекеттік орган белгіленген тәртіппен тіркелген заңды тұлғалардың метрологиялық қызметтері жүзеге асырады".

Өлшеу құралының салыстырып тексеру кезінде анықталатын метрологиялық негізгі сипаттамасы - оның қателігі. Салыстырып тексеру шарасына екі немесе бірнеше өлшеу құралы қатысады: салыстырып тексерілуші өлшеу құралы және салыстырып тексеруші өлшеу құралы. Салыстырып тексерудің басты талабы - салыстырып тексеруші өлшеу құралының дәлдігі, салыстырып тексерілуші өлшеу құралының дәлдігінен артық болуы тиіс. Салыстырып тексеру жұмыстарын құқылы метрологиялық мекемелер атқарады. Салыстырып тексеруден өткен өлшеу құралына салыстырып тексеру туралы куәлiк беріледі. Онда салыстырып тексеруден өткен өлшеу құралының жұмыс icтey мерзімі көрсетіледі. Бұл мерзім өткен соң өлшеу құралын салыстырып тексеруден қайта өткізу қажет.

Мераларды салыстырып тексеру жұмыстары мынадай жолдармен іске асуы мүмкін:

- салыстырып тексерілуші мераны дәлірек салыстырып тексеруші мерамен - компоратордың көмегімен салыстыру. Мұндай салыстырып тексеру процесі кезінде салыстырып өлшеу қолданылады. Бұл әдістер бойынша салыстырылып отырған екі шаманың мәндерінің айырымы жөнінде мәлімет алынады. Егер үлгілік мераны таңдай отырып осы мәліметті нөлге теңестірсе, нөлдік әдіс іске асады;

- мераның жаңғыртатын мәндерін дәлдік класы жоғары прибор-мен өлшеу. Мұны градуирлеу деп атайды. Градуирлеу кезінде салыстырып тексеруші прибордың көрсетуіне қарай отырып, салыстырып тексерілуші мераның шкаласына белгілер (штрих т.б.) қойылады;

- салыстырып тексерудің тағы бip түрі - калибрлеу. Мұндай салыстырып тексеру кезінде дәлірек мерамен салыстырып тексерілуші мералар жиынының біреуі ғана немесе көп мәнді мера шкаласының бір белгісі ғана анықталады. Қалғандарының мәндері берілген заңдылық бойынша анықталады.