1

Применяются с целью контроля и управления. Например, измерения диаметра деталей в ходе технологического процесса.

Метрологические измерения - это измерения с помощью эталонов и образцовых средств измерений с целью воспроизведения единиц физических величин для передачи их размера рабочим средствам измерений.

Абсолютное измерение - это измерение, основанное на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значений физических констант.

Относительное измерение - это измерение отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или изменения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.

Прямые измерения - это измерения, проводимые прямым методом, при котором искомое значение величины получают непосредственно. Например, измерение длины штангенциркулем или микрометром, угла - угломером и т. п.

Косвенные измерения - это измерения, проводимые косвенным методом, при котором искомое значение физической величины определяется на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной.

Совокупные измерения - это проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин определяют путем решения системы уравнений, получаемых при измерениях различных сочетаний этих величин.

Совместные измерения - это проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для определения зависимости между ними. Например, на основании ряда одновременных измерений приращения длины образца в зависимости от изменений его температуры (полученных в результате измерений) определяют коэффициент линейного расширения образца.

2

Основные и дополнительные эталоны и единицы измерения в системе СИ.

Первая система единиц физических величин, хотя она и не являлась еще системой единиц в современном понимании, была принята Национальным собранием Франции в 1791 г. Она включала в себя единицы длины, площади, объема, вместимости и массы, основными из которых были две единицы: метр и килограмм.

Систему единиц как совокупности основных и производных единиц впервые в 1832 г. предложил немецкий ученый К. Гаусс. Он построил систему единиц, где за основу принял единицы длины (миллиметр), массы (миллиграмм) и времени (секунда), и назвал ее абсолютной системой.

Многообразие единиц измерения физических величин и систем единиц осложняло их применение. Международный комитет по мерам и весам выделил из своего состава комиссию по разработке единой Международной системы единиц. Принятая система была названа Международной системой единиц, сокращенно СИ (SI - начальные буквы наименования System International).

Учитывая необходимость охвата Международной системой единиц всех областей науки и техники, в ней в качестве основных выбраны семь единиц. В механике такими являются единицы длины, массы и времени, в электричестве добавляется единица силы электрического тока, в теплоте - единица термодинамической температуры, в оптике - единица силы света, в молекулярной физике, термодинамике и химии - единица количества вещества. Эти семь единиц соответственно: метр, килограмм, секунда, ампер, Кельвин, кандела и моль - и выбраны в качестве основных единиц СИ.

Единица длины (метр) - длина пути, проходимого светом в вакууме за 1/299 792 458 долю секунды.

Единица массы (килограмм) - масса, равная массе международного прототипа килограмма. Единица времени (секунда) - продолжительность 9192631770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

Единица силы электрического тока (ампер) - сила неизменяющегося тока, который, проходя по двум нормальным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади круглого поперечного сечения, расположенным на расстоянии I м один от другого в вакууме, вызывает между проводниками силу взаимодействия, равную 2- Ю~7Н на каждый метр длины.

Единица термодинамической температуры (Кельвин) - 1/273,16 термодинамической температуры тройной точки воды. Допускается использовать также шкалу Цельсия. Единица силы света (кандела) - сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540 1012 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.

Единица количества вещества (моль) - количество веществ системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько атомов содержится вуглероде-12 массой 0,012 кг. Основные единицы Международной системы имеют удобные для практических целей размеры и широко применяются в соответствующих областях измерений.

Международная система единиц содержит также две дополнительные единицы: для плоского угла - радиан и для телесного угла - стерадиан.

Радиан (рад) - единица плоского угла, равная углу между двумя радиусами окружности, длина дуги между которыми равна радиусу. В градусном исчислении I рад = 57° 1744,8". Стерадиан (ср) - единица, равная телесному углу с вершиной в центре сферы, вырезающему на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы. Телесный угол Ω измеряют косвенноα - путем измерения плоского угла

а при вершине конуса с последующимΩ =вычислением2π (1 − cosпо формуле) :

2

1

Для измерения углов применяют угловые градусы, минуты и секунды. Приборов для измерения углов в радианах нет.

Угловые единицы не могут быть введены в число основных, гак как это вызвало бы затруднение в трактовке размерностей величин, связанных с вращением (дуги окружности, площади круга, работы пары сил и т. д.). Вместе с тем угловые единицы нельзя считать и производными, так как они не зависят от выбора основных единиц. Действительно, при любых единицах длины размеры радиана и стерадиана остаются неизменными.

Из семи основных единиц и двух дополнительных в качестве производных выводят единицы для измерений физических величин во всех областях науки и техники.

Важным принципом, который соблюден в Международной системе единиц, является ее когерентность (согласованность). Так, выбор основных единиц системы обеспечил полную согласованность механических и электрических единиц.

Преимущества Международной системы единиц

Основными преимуществами Международной системы единиц являются:

-унификация единиц физических величин на базе СИ. Для каждой физической величины устанавливается одна единица и система образования кратных и дольных единиц от нее с помощью множителей;

-система СИ является универсальной системой. Она охватывает все области науки, техники и отрасли экономики;

-основные и большинство производных единиц СИ имеют удобные для практического применения размеры. В системе разграничены единицы массы (килограмм) и силы (ньютон);

-упрощается запись уравнений и формул в различных областях науки и техники. В СИ для всех видов энергии (механической, тепловой, электрической и др.) установлена одна, общая единица - джоуль.

Эталоны единиц физических величин

Средство измерений или комплекс средств измерений, предназначенные для

воспроизведения и хранения единицы и передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений и утвержденные в качестве эталона в установленном порядке, является эталоном единицы физической величины.

Конструкция эталона, его физические свойства и способ воспроизведения определяются природой физической величины (единица которой воспроизводится) и уровнем развития измерительной техники в данной области измерений.

Эталон должен обладать следующими существенными признаками: неизменностью, воспроизводимостью и сличаемостью.

Неизменность эталона - свойство эталона удерживать неизменным размер воспроизводимой им единицы в течение длительного периода времени, а все изменения, зависящие от внешних условий (температура, влажность, давление и т. п.), должны быть строго определенными функциями величин, доступных точному измерению.

Воспроизводимость эталона - возможность воспроизведения единицы физической величины с наименьшей погрешностью для данного уровня развития измерительной техники. Сличаемость эталона - возможность обеспечения сличения с эталоном других средств измерений, нижестоящих по поверочной схеме, с наивысшей точностью для данного уровня развития техники измерений.

Различают следующие виды эталонов: первичный; специальный; государственный; вторичный; эталон-свидетель; эталон-копия; эталон-сравнения; рабочий эталон; международный эталон и др.

Под первичным эталоном понимается эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы

снаивысшей в стране (по сравнению с другими эталонами той же величины) точностью.

Вкачестве специального эталона используется эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы в особых условиях и служащий для этих условий первичным эталоном. Государственный эталон единицы величины - эталон единицы величины, признанный решением уполномоченного на то государственного органа в качестве исходного на

2

территории Российской Федерации.

Совокупность первичных эталонов составляет эталонную базу страны и является основой обеспечения единства измерений. Число эталонов не является постоянным, а изменяется в зависимости от потребностей народного хозяйства страны. Обычно прослеживается увеличение их числа во времени, что обусловлено постоянным развитием рабочих средств измерений.

В качестве вторичного эталона используется эталон, получающий размер единицы путем сличений с первичным эталоном рассматриваемой единицы.

Вторичный эталон является подчиненным по отношению к первичному эталону. Эталон-свидетель - вторичный эталон, предназначенный для поверки сохранности и неизменности государственного эталона и для замены его в случае порчи или утраты. В настоящее время только эталон килограмма имеет эталон-свидетель.

Эталон-копия - это вторичный эталон, предназначенный для передачи размера единицы рабочим эталонам. Эталон-копия представляет собой копию государственного эталона только по метрологическому назначению.

Эталон - сравнения - это вторичный эталон, который применяется для сличений эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличаемы друг с другом. Рабочий эталон - это вторичный эталон, применяемый для передачи размера единицы образцовым средствам измерений высшей точности, и в отдельных случаях - наиболее точным рабочим средствам измерений. Рабочие эталоны являются наиболее распространенными вторичными эталонами.

Международный эталон - это эталон, принятый по международному соглашению в качестве первичного международного эталона и служащий для согласования с ним размеров единиц, воспроизводимых и хранимых национальными эталонами.

3

Классификация методов измерения

Для обеспечения требуемой точности разработаны различные методы измерений. Метод измерения – это совокупность приемов использования принципов и средств измерения. Под принципами измерений понимается совокупность физических явлений, на которых основаны измерения определенных физических величин.

Метод непосредственной оценки – метод измерений, при которых значение измеряемой величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия. Характерной особенностью названного метода является отсутствие меры в явном виде: значение меры нанесено на шкалу индикаторного устройства.

Методы сравнения основаны на непосредственном сравнении измеряемой величины с величиной, воспроизводимой мерой. В свою очередь в зависимости от того, как осуществляется процедура сравнения, последние разделяются на нулевые, дифференциальные, замещения и нониусные методы. Погрешность методов сравнения всегда содержат две составляющие: погрешности меры и погрешности сравнения.

Нулевой метод основан на сравнении эффекта, создаваемого мерой, с эффектом,

измерительный прибор действует разность измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой. В этом методе мера не регулируемая, а вместо нуль-органа используется измерительный прибор. Метод отличается высокой эффективностью при наличии высокоточной меры, значение которой близко к значению измеряемой величины.

Метод замещения заключается в том, что на первом этапе фиксируется уровень эффекта, создаваемого измеряемой величиной, а на втором этапе из меряемая величина замещается регулируемой мерой, с помощью которой устанавливается прежний уровень эффекта. Так как оба этапа процесса измерения проводятся практически в одних и тех же условиях (за время измерения условия существенно не изменяются), метод поз воляет практически исключить влияние внешних условий на результат измерения, в первую очередь существенно снизить уровень систематических погрешностей.

Нониусный метод сравнения состоит в получении результата измерения при совпадении отметок двух шкал с разными ценами деления. Метод широко применяется при измерении малых значений, меньших цены деления основной шкалы, и возможности точно воспроизведения двух шкал с близкими значениями цен деления.

Качество измерений оценивается двумя показателями: правильностью и достоверностью. Правильность измерений – качество, отражающее степень близости результата измерения к истинному значению измеряемой величины, что означает близость к нулю систематической погрешности результата. Достоверность измерений определяет степень доверия к результату измерения и определяется доверительным интервалом случайной погрешности.

1

Классификация средств измерения. Их свойства.

Под средством измерений понимается техническое средство (или их комплекс), предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящие и (или) хранящие единицу физической величины, размер которой принимается неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени.

Классификация средств измерений

Средства измерений можно классифицировать по следующим основным признакам: тип, вид и метрологическое назначение.

Тип - это совокупность средств измерений, имеющих принципиальную одинаковую схему, конструкцию и изготавливаемых по одним и тем же техническим условиям.

Вид - это совокупность типов средств измерений, предназначенных для измерений какойлибо одной физической величины.

По метрологическому назначению средства измерений подразделяются на рабочие средства измерений, предназначенные для измерений физических величин; метрологические средства измерений, предназначенные для обеспечения единства измерений.

По конструктивному исполнению средства измерений подразделяются на: меры; измерительные приборы; измерительные установки; измерительные системы; измерительные комплексы.

По уровню автоматизации - на неавтоматизированные средства измерений; автоматизированные средства измерений; автоматические средства измерений.

По уровню стандартизации: стандартизованные средства измерений; нестандартизованные средства измерений.

По отношению к измеряемой физической величине: основные средства измерений; вспомогательные средства измерений.

Мера - средство измерений, предназначенное для воспроизведения заданного размера физической величины. Например, набор плоскопараллельных концевых мер длины. Различают меры однозначные и многозначные.

Однозначная мера воспроизводит физическую величину одного размера (например, концевые меры длины, калибры и т. п.).

Многозначная мера - мера, воспроизводящая физическую величину разных размеров. Например, линейка.

Комплект мер разного размера одной и той же физической величины, необходимый для применения на практике, как в отдельности, так и в различных сочетаниях называется набором мер.

Измерительный прибор - средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне. Измерительный прибор, как правило, содержит устройство для преобразования измеряемой величины в сигнал измерительной информации и его индикации в форме, наиболее доступной для восприятия. Например, в качестве устройства для индикации используются шкала и стрелка и т. п.

Различают следующие измерительные приборы: показывающий, аналоговый, цифровой, регистрирующий, самопишущий, печатающий, суммирующий, интегрирующий, сравнения. Показывающий измерительный прибор допускает только отсчитывание показаний измеряемой величины (штангенциркуль, микрометр, вольтметр и т. п.). В аналоговом измерительном приборе показания или выходной сигнал являются непрерывной функцией измеряемой величины (ртутный термометр).

Цифровой измерительный прибор - измерительный прибор, показания которого представлены в цифровой форме (штангенциркуль с числовым отсчетом).

Регистрирующий измерительный прибор - измерительный прибор, в котором предусмотрена регистрация показаний. Регистрация может быть как в аналоговой, так и числовой форме. Делятся на самопишущие и печатающие измерительные приборы.

1

Самопишущий измерительный прибор - регистрирующий прибор, в котором предусмотрена запись показаний в форме диаграммы.

Печатающий прибор - прибор, в котором предусмотрено печатание показаний в цифровой форме.

Суммирующий измерительный прибор - измерительный прибор, показания которого функционально связаны с суммой двух или нескольких величин, подводимых к нему по различным каналам (например, ваттметр).

Интегрирующий измерительный прибор - измерительный прибор, в котором значение измеряемой величины определяется путем ее интегрирования по другой величине (счетчик электроэнергии).

Измерительный прибор сравнения - измерительный прибор, предназначенный для непосредственного сравнения измеряемой величины с величиной, значение которой известно (равноплечие весы, потенциометр и т. п.).

Измерительная установка - совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов и других устройств, предназначенных для измерений одной или нескольких физических величин и расположенная в одном месте.

Измерительной системой называется совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, ЭВМ и других технических средств, размешенных в разных точках контролируемого пространства (объекта) с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому пространству (объекту).

Все средства измерений делятся на универсальные средства и средства специального назначения.

Универсальным называется средство измерений, предназначенное для измерений длин, углов в определенном диапазоне размеров изделий с разнообразной конфигурацией. Например, один и тот же прибор с дополнительными приспособлениями (стойки, штативы и т. п.) может быть использован для измерения различных размеров. Эта особенность универсальных средств измерений способствует их широкому применению.

Специальным называется средство измерений, предназначенное для измерений специальных элементов у деталей определенной формы (например, калибры, приборы для измерения углов, параметров зубчатых колес и т. п.) или специальных параметров у деталей вне зависимости от ее геометрической формы (приборы для измерения шероховатости, отклонений формы и т. п.).

Средства измерений длин и углов в зависимости от физического принципа, положенного в основу построения измерительного преобразователя прибора, подразделяют на следующие группы: штриховые (имеют линейную или угловую шкалу и нониус - штангенинструменты, угломеры); микрометрические (основаны на использовании винтовой пары - микрометры); рычажно-механические (индикаторы часового типа, рычажные скобы и т. п.); рычажнооптические (оптиметры); оптико-механические (проекторы, инструментальные микроскопы и т. п.); пневматические (основаны на применении сжатого воздуха); гидравлические; электрические и электронные; комбинированные (основаны на использовании различных принципов) и др.

Средства измерений специального назначения подразделяют на следующие группы: измерение формы и расположения поверхностей; измерения параметров шероховатости поверхности; измерения параметров резьбы; измерения параметров углов и конусов; измерений параметров зубчатых колес.

2

Метрологические характеристики средств измерений.

Измерительные приборы, применяемые в радиотехнике и телекоммуникационных системах, характеризуются следующими основными показателями.

Диапазон измерений — область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности измерительного прибора (средства измерения).

Диапазон показаний — размеченная область шкалы, ограниченная ее начальным и конечным значениями, т.е. указанными на ней наименьшим Xmin и наибольшим Xmax возможными значениями измеряемой величины (этот диапазон может быть шире диапазона измерений).

Предел измерений — наибольшее или наименьшее значение диапазона измерений.

Область рабочих частот (диапазон частот) — полоса частот, в пределах которой погрешность прибора, полученная при изменении частоты сигнала, не превышает допускаемого предела.

Цена деления шкалы (ГОСТ 16263—70) — разность значений измеряемой величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы.

Чувствительность по измеряемому параметру — отношение изменения сигнала на выходе измерительного прибора к вызвавшему его изменению измеряемой величины.

Предельная чувствительность (по напряжению, току или мощности) — минимальная величина исследуемого сигнала (напряжения, тока или мощности), подаваемого на вход прибора, которая необходима для получения отсчета с погрешностью, не превосходящей допустимой.

Разрешающая способность (абсолютная) — минимальная разность двух значений измеряемых однородных величин, которая может быть различима с помощью прибора.

Быстродействие (скорость измерения) — максимальное число измерений в единицу времени, выполняемых с нормированной погрешностью.

Время измерения — время, прошедшее с момента изменения измеряемой величины (начала принудительного цикла измерения) до момента получения нового результата на отсчетном устройстве с нормированной погрешностью.

Входное сопротивление (полное) ZBx— сопротивление измерительного прибора со стороны его входных зажимов. На сравнительно низки х частотах входная цепь прибора, включаемого параллельно измеряемой цепи, может быть представлена его эквивалентной схемой, состоящей из соединенных параллельно резистора сопротивлением Rвх и конденсатора емкостью Свх. Чтобы не влиять на измеряемую цепь,

сопротивлением. В области высоких частот входное сопротивление прибора определяется преимущественно емкостью.

1

Выходное сопротивление ZВЫХ — сопротивление измерительного прибора со стороны его выходных зажимов. Это сопротивление определяет допустимую нагрузку прибора при подключении, например, его к шине данных компьютера.

Порог реагирования (чувствительности) — изменение измеряемой величины, вызывающее наименьшее изменение показаний, обнаруживаемое наблюдателем при нормальном для данного прибора способе отсчета.

Вариация показаний — средняя разность между показаниями прибора, соответствующими данной точке диапазона измерений, при двух направлениях медленного многократного изменения измеряемой величины.

Показанием называется значение измеряемой величины, определяемое по отсчетному устройству прибора и выраженное в принятых единицах этой величины. Вариация характеризует, насколько устойчиво повторяются показания прибора при измерениях одних и тех же значений величин.

Время установления показаний (время успокоения) — промежуток времени, прошедший с момента изменения измеряемой величины до момента установления показаний. Для аналоговых приборов момент Установления показаний определяется моментом, когда амплитуда колебаний указателя становится не больше, чем погрешность прибора.

Собственная потребляемая мощность Рсо6 от измеряемой цепи (чем Рсоб меньше, тем точнее измерения).

Погрешности измерительного прибора (инструментальные погрешности). Эти погрешности оказывают существенное влияние на точность измерения физической величины.

Все перечисленные показатели относятся к метрологическим характеристикам радиоэлектронных средств измерений. Эти характеристики чаще всего нормируются в технической документации.

2