Контрольные вопросы к теме 2

1. Назовите основные законы, являющиеся правовой основой метрологии, стандартизации и сертификации в Российской Федерации.

2. Что является нормативной основой метрологии в Российской Федерации?

3. Что служит нормативной основой стандартизации в Российской Федерации?

4. Чем отличаются нормативные основы обязательной и добровольной сертификации?

5. Как называется государственный орган, осуществляющий руководство метрологией, стандартизацией и сертификацией в нашей стране?

6. Перечислите функции Ростехрегулирования.

7. Что такое техническое регулирование?

8. В ведении какого министерства находится Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии?

9. В связи с чем осуществляется реорганизация Государственной системы стандартизации РФ?

10. Что такое технический барьер?

11. Чем отличаются технические регламенты от стандартов?

12. Перечислите основные этапы реорганизации Государственной системы стандартизации РФ.

Методические указания для самостоятельной работы по теме 2

Задание. Изучите структуру Государственной системы стандартизации РФ, которая к 2010г должна реформироваться в Национальную систему стандартизации РФ.

Для этого охарактеризуйте:

1. Органы и службы стандартизации;

2. Комплекс основопологающих стандартов (системы технического регулирования);

3. Систему контроля за соблюдением требований технических регламентов и обязательных требований стандартов – Государственный контроль и надзор (ГК и Н).

Рекомендуемая литература:

1. Белобрагин В.Я. Основы технического регулирования: Учебное пособие. – М.; РИА «Стандарты и качество», 2005. – 319с.

2. Крылова Г.Д. Основы стандартизации, сертификации, метрологии: Учебник для вузов. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2003. – 671с.

3. Лифиц И.М. Стандартизация, метрология и сертификация: Учебник. – 7-е изд., перераб. и доп. – М.: Юрайт – Издат, 2007. – 399с.

Модуль 2 Метрология

Тема 3. Основные понятия метрологии. Основы технических измерений

3.1. Общая характеристика и основные понятия метрологии.

Метрология - наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства, и способах достижения требуемой точности.

Метрология, как вид деятельности связанный с измерениями, зародилась в глубокой древности.

Современная метрология состоит из трех основных разделов:

1. Теоретическая (фундаментальная) – это метрология, рассматривающая общие теоретические проблемы. Она разрабатывает системы единиц измерений и физических величин, создает новые методы измерений.

2. Практическая (прикладная) – это метрология, занимающаяся вопросами практического применения методов и средств измерений в различных сферах деятельности.

3. Законодательная – это метрология, которая служит средством государственного регулирования метрологической деятельности посредством законов, вводимых в практику через Государственную метрологическую службу (ГМС).

К области законодательной метрологии относятся: испытания и утверждения типа средств измерений и их поверка и калибровка, сертификация средств измерений, Государственный метрологический контроль (ГМК) и Государственный метрологический надзор (ГМН) за средствами измерений.

Главная задача метрологии – это обеспечение единства измерений.

Единство измерений – это состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах величин, а погрешности известны с заданной вероятностью и не выходят за установленные пределы.

Для выполнения главной задачи метрологии необходимо:

1. выражение результатов измерений в единых узаконенных единицах;

2. установление заданной вероятности погрешностей измерения и пределов, за которые они не должны выходить.

К основным задачам метрологии относятся:

1) Создание общей теории измерений;

2) Установление единиц физических величин;

3) Разработка методов и средств измерений;

4) Создание эталонов, поверка мер и средств измерений;

Объекты метрологии – это единицы величин, средства измерений, эталоны, методики выполнения измерений.

Величина – это состояние, характеристика, сущность какого-либо объекта.

Физическая величина – это состояние, характеристика, сущность физических свойств объекта.

Физические величины подразделяются на основные и производные.

Основные – это величины, которые характеризуют фундаментные свойства материального мира. Они не зависят друг от друга.

Производные – это величины, получаемые расчетным путем исходя из их зависимости от основных и других величин.

Единица физической величины – это принятая количественная доля физического свойства объекта.

Основным величинам соответствуют основные единицы измерений, а производными – производные.

Система физических единиц – это совокупность основных и производных единиц измерения.

Характеристиками физической величины являются размер и размерность.

Размер – это количественная характеристика, числовое значение физической величины.

Размерность – это качественная характреристика физической величины, выражение, связывающее измеряемую величину с основными единицами системы измерений при коэффициенте пропорциональности, равном единице.

Размерность имеет национальное или международное буквенное написание с учетом масштаба.

Любое измеренное значение физической величины состоит из обозначения физической величины, размера, размерности и указания масштаба. Напр., t=5⁰С – обозначение физической величины, где: 5 – это ее размер; ⁰С – размерность (с учетом масштаба – от температуры таяния льда).

Измерение – это совокупность операций, выполняемых с помощью технического средства, хранящего единицу величины, позволяющего сопоставить измеряемую величину с ее единицей и получить значение величины – результат измерений.

Погрешность измерений – это отклонение результата измерений от истинного (действительного) значения измеряемой величины.

В метрологии истинное значение физической величины считается неизвестным, а действительное значение устанавливается экспериментально, с использованием эталона, в предположении, что результат измерений в максимальной степени приближается к истинному значении.

Эталон единицы величины – это средство измерения, предназначенное для воспроизведения и хранения единицы величины с целью передачи ее средствам измерений данной величины.

Средство измерений – это техническое устройство, предназначенное для измерений и имеющее нормированные метрологические характеристики.

Принцип измерений – это совокупность физических явлений, на которых основано измерение.

Метод измерений – это совокупность использования принципов и средств измерений.

Достоверность измерений – это состояние измерений, при котором погрешность не выходит за пределы отклонений, заданных в соответствии с поставленной целью измерений.

Точность измерений – это степень приближения погрешности измерений к нулю, когда действительное значение в наибольшей степени совпадает с истинным.

Сходимость результатов измерений – это близость друг к другу результатов измерений одной и той же величины, выполненных повторно одним и теми же средствами, одним и тем же методом, в одинаковых условиях и с одинаковой тщательностью.

Воспроизводимость результатов измерений – это повторяемость результатов измерений одной и той же величины, полученных в разных местах, разными методами, разными операторами, в разное время, но приведенных к одним и тем же условиям измерений (температуре, давлению, влажности и др.).

Государственная метрологическая служба (ГМС) – это совокупность государственных метрологических органов, созданная для управления деятельностью по обеспечению единства измерений.

Поверка средств измерений осуществляется согласно поверочным схемам.

Поверка средств измерений – это совокупность операций, выполняемых органами Государственной метрологической службы с целью определения и подтверждения средств измерений установленным техническим требованиям.

Поверочные схемы – это схемы, устанавливающие метрологические соподчинения государственного эталона, разрядных эталонов и рабочих средств измерений.

В поверочной схеме за базу для сравнения принимают значение средства измерения, которое является вышестоящим по отношению к подчиненному средству измерения, подлежащему поверке.

Калибровка средств измерений – это составная часть метрологического контроля средств измерений, не подлежащих государственному метрологическому контролю и надзору, состоящая в установлении действительных значений метрологических характеристик средств измерений, путем определения в заданных условиях соотношения между значением величины, полученным с помощью калибруемого средства измерения и соответствующим значением величины, воспроизводимой эталоном.

Метрологические обеспечения – это комплекс научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерений.

3.2. Международные организации по метрологии.

Для обеспечения единства измерений в международном масштабе были созданы международные организации по метрологии.

Наиболее крупными международными метрологическими организациями являются Международная организация мер и весов (МОМВ) и Международная организация законодательной метрологии (МОЗМ).

Самой передовой страной в области метрологии в 19 веке была Франция. Во Франции в начале 1840г впервые была введена метрическая система мер, основанная на двух единицах: метре – единице длины и килограмме – единице массы.

Поэтому, именно в Париже, 20 мая 1875г собрались представители 17 государств (в том числе и России) и подписали метрическую конвенцию (лат., conventio – договор, соглашение) для обеспечения международного единства измерения.

Метрическая конвенция действует по сей день, членом конвенции может стать любое государство путем свободного присоединения к оргпнизации. В настоящее время к Конвенции присоединилось 50 государств.

На базе Конвенции была основана Международная организация мер и весов (МОМВ) и создано Международное бюро мер и весов (МБМВ).

Высшим международным органам МОМВ по вопросам установления единиц, их определений и методов воспроизведения является Генеральная конференция по мерам и весам, которая собирается раз в четыре года. Конференция избирает Международный комитет мер и весов, осуществляющий руководство в промежутках между Генеральными конференциями.

Международное бюро мер и весов (МБМВ) – это первая международная научно – исследовательская лаборатория, которая хранит и поддерживает международные эталоны: прототипы метра и килограмма, единицы ионизирующих излучений, электрического сопротивления и др.

Главная практическая задача МБМВ – это сличение национальных эталонов с международными эталонами различных единиц измерений. Деятельностью МБМВ руководит Международный комитет мер и весов.

Теперь метрическая система мер стала развиваться в рамках международного сотрудничества. Самыми первыми, официально утвержденными эталонами стали изготовленные во Франции из платинового сплава прототипы метра и килограмма.

Первоначально метрическая система мер включала:

единицу длины – метр;

площади – ар, равной площади квадрата со стороной 10м;

объема – стер, равный объему куба с ребром 1м;

вместимости – литр, равный объему куба с ребром 0,1м;

массы – грамм, равный массе воды, заполняющей при 0⁰С куб с ребром 0,01м.

Десятичные приставки к этим единицам обеспечивали образование десятичных, кратных и дольных единиц.

Бурное развитие естественных наук в начале 20 века вызвало необходимость установления единиц для новых физических величин – электрических, магнитных и др. В результате процессе развития метрической системы к середины 20 века появились различные отраслевые метрические системы единиц. Например:

для механических величин – МКС, СГС, МТС, МКГСС;

для тепловых величин – МКСГ; для акустических величин – МКС, СГС;

для световых – МСС.

Кроме того, употреблялись и не связанные между собой внесистемные единицы, например, «лошадиная сила». Это тормозило развитие как метрологии, так и естествознания в целом.

Поэтому, в рамках МОМВ, в период 1948-1960гг совместными усилиями ученых разных стран, на базе метрической системы и отраслевых систем, МКС, МКСА, МКСГ и МСС была разработана универсальная для всех отраслей науки и техники, Международная система единиц (СИ), утвержденная XI Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960г.

В СИ входят семь основных единиц:

1) метр, 2) килограмм, 3)секунда, 4) ампер, 5) кельвин, 6) моль, 7) кандела; две дополнительные: 1) радиан, 2) стерадиан; одиннадцать производных: 1)ватт, 2) кулон, 3) вольт, 4) фарада, 5) Ом, 6) люмен, 7) люкс, 8) сименс, 9) вебер, 10) тесла, 11) генри.

В нашей стране СИ была официально принята в 1963г путем введения соответствующего государственного стандарта. Обязательное применение системы СИ было ведено в СССР в 1981г постановлением Госстандарта (ГОСТ 8.417-81).

В составе Международного комитета мер и весов работают восемь консультативных комитетов, которые подготавливают материалы и решения для Генеральных конференций. Названия комитетов отражают диапазон деятельности МОМВ: комитеты по электричеству, по термометрии определению метра, определению секунды, по единицам, по массе, по фотометрии и эталонам для ионизующих излучений.

Государства – члены МОМВ представлены в комитетах своими крупнейшими институтами. Россия представлена Всероссийским научно-исследовательским институтом физико-технических и радиотехнических измерений.

Вторая крупнейшая международная организация по метрологии – МОЗМ, также была учреждена на основе межправительственной Конвенции в 1956. Россия участвует в МОЗМ как правопреемница СССР (СССР – член МОЗМ с 1956г). Организация объединяет более 80 государств.

Главная цель МОЗМ – это разработка общих вопросов законодательной метрологии.

Основными направлениями деятельности МОЗМ являются:

1) Установление единых для всех стран – членов МОЗМ методов нормирования метрологических характеристик средств измерений;

2) Гармонизация поверочной аппаратуры, методов сличения, поверок и аттестаций эталонных, образцовых и рабочий измерительных приборов;

3. Обеспечение применения единиц измерений, унифицированных в международном масштабе;

4. Выработка оптимальных форм организаций метрологических служб и обеспечение единства государственных предписаний по их введению;

5. Оказание научно-технического содействия развивающимся странам в создании и организации работ метрологических служб и их оснащении необходимыми техническими средствами;

6. Установление единых принципов подготовки кадров в области метрологи различных уровней квалификации.

Высшим руководящим органом МОЗМ является Международная конференция законодательной метрологии, созываемая раз в четыре года. Исполнительным органом является Международный комитет законодательной метрологии, состоящий из представителей от каждой страны-члена МОЗМ. Работу Конференции и Комитета координирует Международное бюро законодательной метрологии. Бюро издает информационные материалы, ведет фонд документации, занимается пропагандой достижений в области метрологии, проводит постоянный взаимный обмен информацией с участниками МОЗМ.

МОЗМ издает два вида документов:

1. Международные документы (МД);

2. Международные рекомендации (МР);

МД носят директивный характер и предназначены для рабочих органов МОЗМ. МР имеют рекомендательный характер и предназначены для стран-членов МОЗМ.

Все решения, принятые МОЗМ, носят рекомендательный характер и лишь морально обязуют страны-члены МОЗМ внедрять их по мере возможности.

В области метрологии работают и другие международные организации:

МККР – международный консультативный комитет по радиосвязи;

МКМТТ – международный комитет по телефонии и телеграфии;

ИКАО – международная организация гражданской авиации;

МАГАТЭ – международное агентство по атомной энергии;

КОСПАР – Комитет по исследованию космического пространства.

3.3. Основы теории измерений.

3.3.1. Основное уравнение измерений.

Значение физической величины получается в результате ее измерения или вычисления в соответствии с основным уравнением измерений:

Q=X[Q], где:

Q – значение физической величины;

X – числовое значение измеряемой величины в принятой единице;

[Q] – выбранная для измерения единица.

Суть этого уравнения состоит в том, что применение различных единиц измерения приводит к получению различного числового значения результата измерений.

Например, если измерить объект длиной 10 см линейкой, имеющей деления в сантиметрах и миллиметрах, то числовое значение измеряемой величины будет различным:

При [Q]=1 см, Х₁=10,

При [Q]=1мм, Х₂=100.

3.3.2. Факторы, влияющие на результат измерений.

Основной постулат метрологии гласит: отчет является случайным числом. На результат измерения влияют следующие факторы: 1) объект измерения; 2) субъект (оператор); 3) метод измерения; 4) средство измерения; 5) условия измерения.

Охарактеризуем эти факторы.

1. Объект измерения должен быть предварительно обследован. Например, при измерении диаметра вала в начале нужно убедиться в том, что он круглый;

2. Субъект (оператор) при взаимодействии со средством измерений влияет на результат измерения. Это связано с его квалификацией, с психофизическим состоянием, с санитарно-гигиеническими условиями на рабочем месте, а также с выполнением эргономических требований;

3. Метод измерения также влияет на результат, поскольку зачастую измерение одной и той же величины постоянного размера разными методами дает отличающиеся результаты. Искусство оператора состоит в том, чтобы в максимальной степени исключить влияние метода измерения на результат. Если этого сделать не удается, то в результат вносят поправку. Поправка может быть аддитивной (лат., additivus - прибавляемый), когда ее прибавляют (или вычитают) к полученному результату измерения, или мультипликативной (лат., multiplicatio - умножение), когда показания средства измерения умножают на поправочный множитель, определяемый расчетным путем;

4. Влияние средства измерения на измеряемую величину чаще всего проявляется как возмущающий фактор. Например, ртутный термометр, опущенный в охлажденную жидкость, подогревает ее и показывает не первоначальную температуру жидкости, а температуру, при которой устанавливается термодинамическое равновесие. Для корректировки такого влияния вводятся аддитивные или мультипликативные поправки в виде числа или функции. Поправка может задаваться формулой, таблицей или графиком;

5. Условия измерения как фактор, влияющий на результат, включает: температуру окружающей среды, влажность, атмосферное давление, напряжение в сети и другие факторы, учет которых позволяет исключить ошибки при измерении.

3.3.3. Шкалы измерений.

Простейший способ получения информации о размере измеряемой величины – это сравнение этого размера с другим. При этом число сравниваемых между собой размеров может быть достаточно большим. В результате получается шкала измерений.

Шкала (лат., scala – лестница) измерений – это упорядоченная совокупность значений физической величины, предназначенная для ее измерения.

Различают четыре основных типа шкал:

1. шкала наименований;

2. шкала порядка;

3. шкала интервалов;

4. шкала отношений.

Необходимость использования шкал измерений связана с тем, что не каждая единица измерения может иметь вещественное воплощение. Например, градус невозможно представить вещественно. В таких случаях применяются шкалы измерений.

1) Шкала наименований – это качественная, а не количественная шкала, она не содержит нуля и единиц измерений. Например, вкусовая шкала: кислый, кисло-сладкий, сладкий, горький.

2) Шкала порядка – это шкала, которая характеризует значение измеряемой величины в баллах. Для измерений по этой шкале, некоторые точки на ней фиксируют в качестве опорных-реперных. Этим точкам присваивают численные значения – баллы. Например, землетрясения и силу ветра оценивают в баллах. Недостатком шкал порядка является неопределенность интервалов между реперными точками.

3) Шкала интервалов (разностей) – это шкала, в которой имеется условное нулевое значение, а интервалы устанавливаются по согласованию. Для ее построения в начале устанавливают единицу физической величины. На шкале интервалов откладывается разность значений физической величины, сами же значения остаются неизвестными.

Например, на температурной шкале Цельсия за начало отчета разности температур принята температура таяния льда. С ней сравниваются все другие температуры. Для удобства пользования шкалой, интервал между температурой таяния льда и температурой кипения воды разделен на 100 равных интервалов – градусов. Шкала Цельсия распространяется как в сторону положительных, так и в отрицательных интервалов.

Когда говорят, что температура воздуха равна 25⁰С, это означает, что она на 25⁰С выше температуры, принятой за нулевую отметку шкалы.

Результаты измерений по шкале интервалов позволяет определить, на сколько одно значение физической величины больше или меньше другого. Определить же во сколько раз одно значение больше или меньше другого, невозможно, поскольку на шкале интервалов известен только масштаб, а начало отчета может быть выбрано произвольно. Однако это может быть сделано в отношении интервалов (разностей). Так, разность температур 20 градусов в 4 раза больше разности температур 5 градусов.

4) Шкала отношений – это интервальная шкала с естественным нулевым значением.

Например, за начало температурной шкалы Кельвина (термодинамическая температурная шкала) принят абсолютный нуль температуры, при котором прекращается тепловое движение молекул, поэтому более низкой температуры в природе быть не может. Второй реперной точкой служит температура таяния льда (273,16 К).

По такой шкале можно отсчитывать абсолютное значение температуры и определять не только, на сколько температура одного объекта больше температуры другого, но и во сколько раз больше или меньше. Шкала отношений, в отличии от шкалы интервалов, не содержит отрицательных значений.

Эта шкала является самой совершенной, наиболее информативной. Результаты измерений по шкале отношений можно складывать между собой, вычитать, перемножать или делить.

3.3.4. Виды измерений.

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

I) По способу нахождения искомого значения измеряемой величины различают следующие виды измерений:

1) прямые – это такие измерения, когда значение величины находят непосредственно по показаниям средства измерений;

2) косвенные – измерения, при которых искомое значение величины находят расчетным путем на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, функционально связанными с искомой и определяемыми посредством измерений;

3) совокупные – это измерения, связанные с решением системы уравнений, составляемых по результатам одновременных измерений нескольких однородных величин.

Решение системы уравнений позволяет вычислить искомую величину. Например, нахождение значений массы отдельных гирь, входящих в набор, по известному значению массы одной из гирь: сравнивая массы различных сочетаний гирь, получают систему уравнений, из решения которой находят массу каждой из гирь, входящих в набор;

4) совместные – это одновременные измерения двух или более неоднородных физических величин для определения зависимости между ними.

Например, ряд одновременных, прямых измерений электрического сопротивления проводника и его температуры для установления зависимости сопротивления от температуры.

II) По характеристике точности измерений различают измерения следующих видов:

1) равноточные – это ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности средствами измерений,

2) неравноточные – это ряд измерений какой-либо величины, выполненных несколькими различными по точности средствами измерений или в несколько разных условиях.

III) По числу измерений различают следующие виды измерений:

1) однократные – это дно измерение одной величины;

2) многократные – это несколько следующих друг за другом измерений с последующей статистической обработкой их результатов.

Их еще называют измерениями с многократными наблюдениями или статистическими. При этом под наблюдением понимают однократный отчет показания средства измерений.

IV) По характеру изменений самой измеряемой величины в процессе измерений различают:

1) статические виды измерений – это измерения практически постоянных величин;

2) динамические виды измерений – это измерения величин, которые изменяются в процессе измерений.

V) По выражению результата измерений различают измерения двух видов:

1) абсолютные – измерения, основанные на прямых измерениях величин или на использовании физических констант;

2) относительные – это измерения, основанные на установлении отношения измеряемой величины к однородной, применяемой в качестве единицы.

VI) По метрологическому назначению различают:

1) технические виды измерений – это измерения с помощью рабочих средств измерений;

2) метрологические – это изменения с использованием эталонов и стандартных образцов, с целью воспроизведения единиц физических величин для передачи их размера рабочим средствам измерений.

Эти измерения применяются при поверке и калибровке средств измерений.

3.3.5. Методы измерений.

Метод измерений – это прием или совокупность приемов сравнения измеряемой величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений.

Метод измерений обусловлен устройством средств измерений и реализованным принципом измерений.

Методы измерений классифицируют по разным признакам.

I) По общим приемам получения результатов измерений различают:

1) прямой метод – это метод измерений, основанный на прямых видах измерений;

2) косвенный – это метод измерений, используемый при косвенных видах измерений.

II) По условиям измерений различают:

1) контактный метод – это метод измерений, основанный на том, что чувствительный элемент прибора приводится в непосредственный контакт с объектом измерения;

2) бесконтактный – это метод, при котором чувствительный элемент прибора не приводится в контакт с объектом измерения.

Например, измерение расстояние до объекта радиолокатором.

III) По способу сравнения измеряемой величины с ее единицей различают следующие методы измерений:

1) метод непосредственной оценки – это метод, при котором значение величины определяют непосредственно по отчетному устройству показывающего средства измерения.

При этом, сама мера, отражающая единицу измерения, в самом измерении не участвует. Ее роль играет шкала. Преимущество – быстрота измерений. Недостаток – ограниченная точность;

2) метод сравнения с мерой – это метод, при котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.

Например, определение массы на рычажных весах с уравновешиванием гирями. Преимущество – большая точность, чем при методе непосредственной оценки. Недостаток – большие затраты времени на измерении;

3) метод противопоставления – это метод, при котором измеряемая величина, воспроизводимая мерой, одновременно действует на прибор сравнения, с помощью которого устанавливают соотношение между этими величинами.

Например, взвешивание на равноплечных весах, при котором измеряемая масса определяется как сумма массы гирь, ее уравновешивающих, и показаний по шкале весов. Преимущество – уменьшение воздействия на результат измерения искажающих факторов. Недостаток – увеличение времени измерения;

4) дифференциальный (разностный) метод – это метод измерения, который характеризуется разностью между измеряемой и известной (воспроизводимой мерой) величинами.

Например, измерение путем сравнения с рабочим эталоном на компараторе. Преимущество – получение результатов с высокой точностью. Недостаток – необходимость наличия эталонов.

5) нулевой метод – это метод сравнения с мерой, когда измеряемую величину сравнивают с величиной, значение которой известно, доводя разность между измеряемой и известной величиной до нуля. Совпадение значений этих величин отличают при помощи нулевого указателя (нуль - индикатора).

Например, взвешивание на рычажных весах. Преимущество – возможность применения мер, во много раз меньших измеряемой величины. Недостаток – необходимость наличия наборов (магазинов) мер, из которых составляются сочетания, воспроизводящие любое значение известной величины.

6) метод совпадения – это метод сравнения с мерой, в котором разность между значениями искомой и воспроизводимой мерой величинами измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов.

Например, нониус штангенциркуля построен по принципу метода совпадений. Преимущество – увеличение точности сравнения с мерой. Недостаток – более сложные средства измерения и более высокая квалификация оператора;

7) метод замещения – это метод измерения, основанный на сравнении с мерой, при котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой, сохраняя все условия неизменными. Например, взвешивание на одночашечных весах с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашку весов. Преимущество – малая погрешность измерений. Недостаток – необходимость применения многозначных мер.

3.4. Средства измерений.

Средства измерений – технические средства, предназначенные для измерений, имеющие нормированные метрологические характеристики, воспроизводящие и хранящие единицу физической величины, можно классифицировать по конструктивному исполнению и по метрологическому назначению.

3.4.1. Средства измерений различного конструктивного исполнения.

По конструктивному исполнения средства измерений подразделяются на: 1) меры; 2) измерительные преобразователи; 3) измерительные приборы; 4) измерительные установки; 5) измерительные системы; 6) измерительные принадлежности.

Дадим им краткую характеристику.

1) Меры - это средства измерений, предназначенные для воспроизведения физических величин заданного размера.

Другими словами, меры – это тела или приборы, представляющие собой вещественное воспроизведение единиц измерения.

Различают однозначные, многозначные меры, а также наборы и магазины мер.

Однозначные меры воспроизводят величины только одного размера.

Например, однокилограммовая гиря, стандартные образцы.

Многозначные меры воспроизводят несколько размеров физической величины. Например, линейка – см, мм.

Наборы мер – это комплекты однородных мер разного размера.

Например, разновески.

Магазины мер – это наборы мер, конструктивно объединенных в единое устройство и применяемых в различных комбинациях.

Например, магазин электрических сопротивлений.

Сравнение с мерой выполняется с помощью специальных устройств – компараторов (лат., comparator - сравнивающий), например, рычажных весов.

Номинальное значение меры – это значение меры, указанное на ней.

Действительное значение меры – это значение меры, указанное в специальном свидетельстве, как результат высокоточного измерения с использованием официального эталона.

Погрешность меры – это разность между номинальным и действительным значением меры.

Величина погрешности меры служит основой для разделения мер на классы. Величина, противоположная по знаку погрешности меры – это поправка к указанному на мере номинальному значению.

2) Измерительные преобразователи – это средства измерения, служащие для преобразования измеряемой величины в другую величину или сигнал измерительной информации, удобный для обработки, хранения и дальнейших преобразований.

Измерительные преобразователи не имеют устройств отображения измерительной информации, поэтому они входят в измерительные приборы или применяются вместе с ними.

Например, термопары, датчики, электроды рН-метров, преобразователь для передачи информации в память компьютера.

Преобразуемую величину называют входной, а результат преобразования – выходной величиной. Соотношение между входной и выходной величинами называется функцией преобразования. Это основная метрологическая характеристика измерительного преобразователя.

По характеру преобразования измеряемой величины, измерительные преобразователи подразделяются на: аналоговые, цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи.

По месту в измерительной цепи на: первичные, передающие и промежуточные.

3) Измерительные приборы – это средства измерений, предназначенные для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне в форме, удобной для восприятий пользователем.

Различают измерительные приборы прямого действия и приборы сравнения.

Приборы прямого действия – это показывающие приборы, которые отображают измеряемую величину на показывающем устройстве, имеющем соответствующую градуировку в единицах этой величины. При этом не происходит измерения рода физической величины. Например, термометр, амперметр, вольтметр.

Приборы сравнения – это регистрирующие приборы, предназначенные для сравнения измеряемых величин с величинами, значения которых известны.

Регистрация показаний приборов сравнения может быть в форме диаграммы, в виде записи самописцем, путем печатания данных.

Например, аналитические весы, термограф с самописцем, измерительный прибор, сопряженный с компьютером и печатающим устройством (принтером). Приборы сравнения широко используются в научных целях.

4) Измерительные установки – это совокупность функционально объединенных мер, измерительных преобразователей, измерительных приборов и других устройств, предназначенных для измерений одной или нескольких физических величин и расположенных в одном месте.

Например, испытательный стенд.

5) Измерительные системы – это совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, размещенных в разных точках контролируемого пространства с целью измерения одной или нескольких физических величин, свойственных этому пространству.

Например, береговая радионавигационная система для определения местоположения судов в данной акватории.

6) Измерительные принадлежности – это вспомогательные средства измерений величин, необходимые для вычисления поправок к результатам измерений, если требуется высокая степень точности.

Например, термометр может быть вспомогательным средством измерений, если показания приборы достоверны при строго определенной температуре.

3.4.2. Средства измерений различного метрологического назначения.

По метрологическому назначению средства измерений подразделяются на: 1) рабочие и 2) метрологические.

Само название отображает их назначение.

1) Рабочие средства измерений – это средства измерений, предназначенные для определения параметров технических устройств, технологических процессов, окружающей среды.

В зависимости от условий применения они подразделяются на: лабораторные, применяемые при научных исследованиях; производственные, используемые в процессе производства и обладающие устойчивостью к воздействиям различных факторов производственного процесса (температуры, влажности, вибрации); полевые, предназначенные для работы в нестабильных внешних условиях, когда внешние воздействия постоянно изменяются в широких пределах.

Например, рабочие средства измерений, установленные в самолетах, судах, автомобилях.

2) метрологические средства измерений – это средства измерений, предназначенные для метрологических целей: воспроизведения единицы и ее хранения или передачи размера единицы рабочим средствам измерений.

К ним относятся – эталоны, образцовые средства измерений, поверочные установки, стандартные образцам.

3.4.3. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений.

Метрологические свойства средств измерений – это свойства, влияющие на результат измерений и его погрешность.

Метрологические характеристики средств измерений – это количественные характеристики показателей метрологических свойств.

Нормируемые метрологические характеристики – это характеристики средств измерений, предназначенные для обеспечения единства измерений с требуемой точностью и устанавливаемые нормативными или техническими документами.

Комплекс нормируемых метрологических характеристик устанавливается таким образом, чтобы с их помощью можно было оценить погрешность измерений, осуществляемых в заданных рабочих условиях эксплуатации средств измерений.

К ним относятся: I) отметка шкалы; II) цена деления; III) диапазон показаний; IV) диапазон измерений; V) чувствительность; VI) порог чувствительности; VII) точность; VIII) погрешность; IX) сходимость; X) воспроизводимость.

Дадим им краткое определение.

I) Отметка шкалы – это штрих или другое условное обозначение на шкале средства измерения.

II) Цена деления – это разность значений величины, соответствующей двум соседним отметкам шкалы.

III) Диапазон показаний – это область значений шкалы, ограниченных начальным и конечным значением этой шкалы.

IV) Диапазон измерений – это область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности.

Диапазон измерений не всегда совпадает с диапазоном показаний. Например, для циферблатных весов диапазон измерений превышает диапазон показаний, т.е. взвесить можно и объект с массой, превышающей диапазон показаний, но с ненормируемой погрешностью.

V) Чувствительность средства измерения – это отношение измерения сигнала на выходе измерительного прибора, к вызывающему его изменению измеряемой величины.

VI) Порог чувствительности – это минимальное значение измеряемой величины, которое вызывает измерение выходного сигнала.

Например, если порог чувствительности циферблатных весов составляет 5г, это означает, что при взвешивании объекта массой 5г, стрелка весов отклонится.

VII) Точность измерений – это качество измерений, отражающее близость их результатов к истинному (действительному) значению измеряемой величины.

Точность определяется степенью близости к нулю погрешностей. Различают высокую, среднюю или низкую точность.

VIII) Погрешность средства измерений – это отклонение результата измерений от истинного (действительного) значения измеряемой величины.

Действительное значение физической величины для рабочего средства измерения – это показания рабочего эталона низшего разряда.

«Погрешность» и «ошибка» - это разные понятия. Погрешность возникает по объективным причинам и полностью устранить ее невозможно, можно только уменьшить с помощью определенных методов. Ошибка же связана с неправильными действиями субъекта (оператора). После проверки результатов, ее устраняют.

За базу для сравнения при вычислении погрешности принимают показание средства измерения, которое в поверочной схеме является вышестоящим по отношению к подчиненному средству измерения, согласно формуле:

∆ Хn = Хn-Xo,

где ∆ Хn – погрешность поверяемого средства измерения;

Хn – значение физической величины, полученное с помощью поверяемого средства измерения;

Xo – действительное значение физической величины, полученное с помощью средства измерения, принятого за базу для сравнения (рабочего эталона).

Различают следующие виды погрешностей:

1) абсолютная погрешность (∆ Хn) – это погрешность, представляющая собой разность между измеренным (Хn) и действительным значением (Хо) физической величины:

∆ Хn = Хn-Xo;

2) относительная погрешность(δ) – это, выраженное в процентах, отношение абсолютной погрешности (∆ Хn) к действительному значению (Хо) физической величины:

;

3) систематическая – это составляющая погрешности результата измерения, остающаяся постоянной, или закономерно изменяющейся, при повторных измерениях одной и той же величины.

Например, погрешность градуировки термометра. Если это погрешность известна, то ее устраняют введением поправок;

4) случайная – это составляющая погрешности результата измерения, изменяющаяся случайным образом в серии повторных измерений одной и той же величины с одинаковой тщательностью.

Такие погрешности непредсказуемы, неизбежны и не устранимы. Их можно уменьшить путем многократных измерений и обсчетов результатов методами математической статистики.

Случайные погрешности порождают рассеяние результатов, для характеристики которого применяются средняя арифметическая погрешность, средняя квадратичная погрешность, размах результатов измерений. Поскольку рассеяние носит вероятностный характер, то при указании на значения случайной погрешности задают значение доверительной вероятности;

5) закономерная – это погрешность, обусловленная процессами старения и износа средств измерений.

Для корректировки этой погрешности используют поверку и калибровку средств измерений;

6) основная – это погрешность, определяемая в нормальных условиях применения средств измерений.

Нормальные условия, это:

температура (293 + 5)К; (20 + 5)⁰С;

атмосферное давление (100 + 4)κПа;

относительная влажность (65 + 15)%;

электрическое напряжение

в сети питания 220B + 10%;

7) дополнительная – это составляющая погрешности средства измерения, дополнительно возникающая при отклонении температуры, атмосферного давления, напряжения в сети от их нормального значения;

IX) Сходимость результатов измерений – это характеристика качества измерений, отражающая близость друг к другу результатов измерений одной и той же величины, выполненных повторно одними и теми же средствами измерений, одним и тем же методом, в одинаковых условиях и с одинаковой тщательностью.

Высокая сходимость результатов измерений очень важна при оценке показателей качества товаров, приобретаемых потребителем в виде партии.

X) Воспроизводимость результатов измерений – это повторяемость результатов измерений одной и той же величины, полученных в разных местах, разными методами, разными операторами, в разное время, но приведенных к одним и тем же условиям измерений (температуре, давлению, влажности и др.).

В нормативных документах также устанавливают классы точности конкретного типа средств измерений.

Класс точности средства измерения – это обобщенная характеристика, выражаемая пределами допускаемых (основной и дополнительной) погрешностей, а также другими характеристиками, влияющими на точность.

Если пределы допускаемой основной погрешности выражены в форме абсолютной погрешности средства измерения, то класс точности обозначается прописными буквами латинского алфавита. При этом классам точности, которым соответствуют меньшие пределы допускаемых погрешностей, присваиваются буквы, находящиеся ближе к началу алфавита.

Классы точности присваиваются средствам измерений при их разработке – по результатам приемочных испытаний. При эксплуатации средств измерений их метрологические характеристики обычно ухудшаются. По результатам поверки (калибровки) допускается понижение класса точности.