Никитин, Бойко - Методы и средства измерений, испытаний и контроля - 2004

УДК 389 (075.8) ББК 30.10я7

Н-62

Рецензенты Заведующий кафедрой метрологии и систем качества Пензенского

государственного университета доктор технических наук, профессор Г.П. Шлыков, заведующий кафедрой производства летательных аппаратов и управления качеством Самарского государственного аэрокосмического университета член корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор В.А. Барвинок

Никитин В.А., Бойко С.В.

Н-62 Методы и средства измерений, испытаний и контроля:

Учебное пособие - 2-е изд. перераб. и доп.- Оренбург ГОУ ОГУ, 2004. - 462 с.

ISBN 5-7410-0692-2

В учебнике описаны основные методы измерений и средства измерений, испытаний и контроля. Изложены ключевые понятия и математические модели элементов измерительного процесса. Подробно рассмотрены методы и алгоритмы расчета характеристик погрешностей многократных и однократных измерений.

Для студентов вузов специальности метрология, стандартизация и сертификация пищевых производств и услуг, связанных с пищевыми продуктами и сырьем для пищевого производства.

ББК 30.10я7

Η 2004010000 6Л9 − 01

© Никитин В.А., Бойко С.В., 2004

ISBN 5-7410-0692-2

Предисловие ко второму изданию

В процессе производственной и познавательной деятельности человеческого общества возникает множество практических и теоретических задач, для решения которых необходимо располагать количественной информацией о том или ином свойстве объекта материального мира (процесса, вещества, детали машины, явления природы и т.д.). Основным способом получения той или иной информации являются измерения, при реализации которой необходимо применить определенные правила, чтобы получить результат измерения с большей или меньшей точностью, отражающие свойства объекта или показатели его качества. Такая информация называется

измерительной информацией.

Студенты инженерных специальностей ВУЗов, начиная с начальных курсов, работают в лабораториях по измерениям профилирующих знаний специальных кафедр. Лабораторные работы по измерениям дают практическую возможность тщательно изучить сущность теоретических основ измерения, методов измерения и конструкции различных средств измерения. Результаты любых измерений неизбежно содержат неточности – неопределенности типа А и Б (погрешности), как бы тщательно и на каком бы высоком уровне они не выполнялись. Известно, что абсолютно точных измерений не существуют принципиально, так как даже эталоны государственной важности имеют вышеуказанные неопределенности типа А и Б. Именно поэтому успешное усвоение теоретического материала в ходе лабораторных работ, усвоение методов и средств измерений, методов и средств испытаний, методов и средств контроля, приобретение в этом процессе практических навыков, предполагает также прочное усвоение современных методов математической обработки результатов измерений через анализ объектов измерения, выбора средства измерения, испытания или контроля, анализа и оценивания неопределенностей типа А и Б (погрешностей).

Подготавливаясь к будущей самостоятельной работе по профилю своей специальности, студенты постепенно понимают, что сегодня измерения пронизывают все сферы человеческой деятельности. С измерениями связана деятельность инженера-конструктора, инженера-технолога, инженераконтролера, инженера-испытателя, инженера-исследователя и инженерапроизводственника. Все эти специалисты обязаны иметь ясное представление о возможностях и оснащенности производства измерительной техникой, чтобы обеспечить взаимозаменяемость деталей и узлов, контролепригодность разрабатываемого изделия и качество его изготовления по всем переделам и операциям на всех стадиях его жизненного цикла. Измерительная информация является основой для принятия технических и управленческих решений при производстве и испытаниях продукции, оценивании ее технического уровня, аттестации и сертификации качества. И, конечно, знание современных правил, законов РФ, норм и регламентов в области измерений является обязательной функцией для специалистов управления и организации производства.

Результат измерения имеет серьезное значение лишь при условии, что он сопровождается оценкой неопределенности типа А и Б (погрешности) измерения, либо дополняется сведениями, которые позволяют пользователю информации измерения оценить точность измерения самостоятельно. Кроме того, важно не только уметь выполнить измерение и оценить погрешность результата, но и так подобрать средство измерения, спланировать и осуществить процедуру измерения, чтобы была обеспечена требуемая точность или, по крайней мере, была сведена к минимуму погрешность. В этих условиях нужен единый научный и законодательный фундамент, который осуществляет на практике высокое качество измерений, независимо от того, где и с какой целью они производятся. Таким фундаментом является дисциплина прикладной метрологии – «Методы и средства измерений, испытаний и контроля».

В первой части учебника излагаются основные методы измерений, усвоение которых позволяют студенту осознанно подойти к изучению средств измерений распространенных величин. Во второй части учебника изложены средства измерений, испытаний и контроля и отличительные особенности измерений от испытаний и контрольных операций.

Изучение учебника требует от студентов знаний основ математики, особенно теории вероятностей, в объеме, который предлагается студентам технических специальностей.

Оба автора разделяют ответственность за содержание всего материала учебника. Помощь коллег дала возможность привести учебник к настоящему виду. Хочется выразить им сердечную благодарность. Авторы считают своим приятным долгом выразить искреннюю признательность и благодарность коллективу кафедры «Производство летательных аппаратов и управления качества» Самарского государственного аэрокосмического университета (заведующему кафедрой члену корреспонденту РАН, доктору технических наук, профессору Барвинок В.А.) и коллективу кафедры «Метрология и системы качества» Пензенского государственного технического университета (заведующему кафедрой доктору технических наук, профессору Шлыкову Г.П.), взявшим на себя труд по рецензированию рукописи и сделавшим особый ряд ценных замечаний, способствовавших улучшению содержания учебника.

Введение

Современный этап развития человечества характеризуется огромным потоком информации, циркулирующей во всех сферах его деятельности. Если в середине 19-го века увеличение объема информации за 50 лет происходило вдвое, то в 20-м веке, до 80-х годов, его удвоение происходило примерно за 20 лет. После 80-х этот показатель стал меняться в течение 3-4-х лет, а в 21 веке это удвоение происходит так стремительно, что такие сроки назвать будет некорректно, так как информационный поток просто огромен во всех отраслях жизненного цикла человечества! Поэтому 21 век назван веком информации.

В процессе различной деятельности людей, индивидуально каждого человека и во взаимодействии сообщества возникает множество задач, для решения которых необходимо иметь достаточное количество и качество информации о том или ином свойстве объектов материального мира (явления, процесса, вещества, параметра продукции, детали или машины в целом и т.д.).

Одним из главных способов получения информации – измерения и методы измерений. Информация о свойствах и качественных характеристиках объектов, полученных с помощью измерений, называется ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИЕЙ. Студенты инженерных специальностей высших учебных заведений, начиная занятия с первого семестра, из школьного багажа знаний, знают, что такое размерность и единицы измерений, но на элементарном уровне.

Результат любого измерения заслуживает внимания лишь при условии, что он имеет оценку погрешности измерения, либо информацию оценки точности измерения самостоятельно. Курс «Методы и средства измерений, испытания и контроля» читается после освоения студентами курса «Теоретическая метрология» и поэтому нет необходимости повторять главные сведения и формулировка из метрологии. Однако есть один момент, о котором необходимо поговорить, исходя из последних событий в мире, о практической метрологии и ее прикладных учебных дисциплин, к которым и относится курс «Методы и средства измерений, испытаний и контроля». Речь идет о замене термина «погрешность измерений» на «неопределенность измерений» в практике производственной и общественной жизни Российской Федерации. Полемика в МОЗМе и в ГОССТАНДАРТЕ РФ еще идет, но в перспективе уже ясно, что студенты все отчетливее должны привыкать к терминам «неопределенность измерений», если мы хотим быть на уровне взаимопонимания с зарубежными странами, с требованиями международного рынка и культурными связями с народами мира.

1 Предмет, задачи и содержание дисциплины

Что такое - «Теория Постановки Задачи»? Любая задача может быть разложена на две составляющие: внутреннюю задачу и внешнюю задачу. Решать задачу приходится на уровне как внешней, так и внутренней. Обычно ученые говорят: «Вопрос решается на уровне внешней задачи, или на уровне внутренней задачи» Что это значит? В условие задачи постановщик ее включает необходимое и достаточное количество исходных данных и оговаривает их условия значимости по граничным параметрам их стабильности или не стационарности, переменные или постоянные их величины и т.д. Из физики, математики это Вам должно быть известно, но все-таки так это или не так, а методы и средства измерений, испытаний и контроля требуют педантичную, беспощадную, жесткость подхода к постановке и, разумеется, к решению задачи. Если Вы решаете задачу и безукоризненно выполняете все условия границ, без допущений, применяете аналитику или приближенные методы расчетов в пределах условий, то считается, что Вы решаете ее на уровне внутренней задачи. Если Вы выходите за рамки допущений и граничных условий, а применяете известные закономерности в науке, действующие в пределах заранее оговоренных граничных условий, то Вы выходите из внутренней задачи и внедряетесь в уровень внешней задачи. Тем самым Вы перед собой, вольно или не вольно, ставите задачу переходных процессов стационарных или случайных нестационарных событий, не подозревая о трудностях получить достоверный результат, впадаете в заведомую ловушку. Поэтому, выходя во внешнюю задачу надо осознанно это знать и помнить, что занимаетесь научным экспериментом, а оправдано ли это

сточки зрения экономики, это уже другой вопрос.

Олитературе! Можно читать все типы и виды литературы и поднимать уровень своей культуры, интеллект и т.д., но есть Законы и НТД, знание которых не только повышают уровень культуры, а являются гражданской и должностной обязанностью, иногда тесно связанной с уголовной ответственностью. Поэтому у метрологов обычно говорят, что литературу читай, а законы и государственные стандарты исполняй!

На страницах журнала «Законодательная метрология» №2 за 1995 год в статье г. В.А. Брюханова, Н.П. Мифа открыта рубрика обсуждения Закона РФ «Об обеспечении единства измерений» в статье «ГСИ. Методики выполнения измерений» - важное мероприятие для реализации закона РФ «Об обеспечении единства измерений» с 9-12, не обсудить сущности, которой мне кажется нельзя. Хотя эта статья не закончена, а продолжается в №4 за 1995 год в статье В.А. Брюханова «Региональные семинары по реализации закона Российской Федерации «Об обеспечении единства измерений» с 15-19, уже сейчас ясно, что авторы затрагивают вопиющие вопросы повседневной жизни нашего общества во взаимосвязях с обществами зарубежных стран со всеми проблемами терминологии. Известна истина, если хочешь, чтобы был понят другими, то говори на общепонятном языке и применяй взаимосогласованную

терминологию. Настоятельно рекомендуем всем Вам постоянно просматривать журнал «Законодательная метрология» и читать все то, что западет в «душу», уверен в успехах Вашего последующего «реноме».

«МЕТОДЫ» - что это такое? Необходимо обратиться к межгосударственному стандарту РМГ 29-99 «Рекомендации по межгосударственной стандартизации. Метрология. Основные термины и определения», который был принят взамен ГОСТ 16263-70.

Таким образом действует РМГ 29 – 99, а так как ГОСТ 16263 - 70 отменен, то применять его нельзя, однако мы еще долго будем прибегать к нему, с точки зрения познавательной направленности недавних споров, применяемости в старой литературе со ссылками на него.

Метод - это алгоритм, порядок элементарных операций действия или изложения сути проблемы в последовательном по логике физических законов природы в порядке следования друг за другом. Этому соответствует все многообразие жизни, мы продолжаем его изучать и видоизменять в процессе познания. Далее уже начинается философия! «Метод измерения - совокупность приемов использования принципов и средств измерений»- определение из стандарта ГОСТ 16263-70. Согласно РМГ 29-99, «Метод измерения – прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений».

Чтобы изучать эти методы и средства измерений, испытаний и контроля, необходимо, прежде всего, определиться о том, что является первоосновой метрологии! Мы обязательно должны начать с Закона РФ «Об обеспечении единства измерений». Обсуждение любых проблем, связанных с единством измерений, целесообразно начинать с упоминания основных метрологических истин или, если, осторожно выражаясь, с утверждений, которые на сегодняшний день нам представляются как истины (известно, что все в мире носит относительный характер, сегодня истина, а завтра ее заменяет другая истина!»), приводим их в редакции Брюханова В.А. –журнал «Законодательная метрология» №2 за 1998 год в статье «Единство измерений: прекрасная мечта, суровая реальность и оптимистический финал», часть 1-я, с 43-49 и продолжение в № 4 за 1998 год – часть 2-я, с 6-12.

1.1 Метрологические истины

Истина первая. Погрешность измерений - отклонение результата измерения от истинного (действительного) значения измеряемой величины /2/. Истинные значения измеряемых величин идеальным образом отражают, как отмечается в работе «Основы метрологии» Бурдун Г.Д., Марков Б.Н. о понятии - физических величин, свойства данного объекта, как в количественном, так и в качественном отношении. Они не зависят от средств нашего познания, от устройства государственного строя, деятельности президента и т.д., а являются той «абсолютной истиной», к которой мы стремимся, и познать которую нам так, и не дано. Вот почему мы в нашей жизни вместо истинных значений величин оперируем действительными значениями. Под действительными

значениями физических величин принято понимать их значения, найденные экспериментом и настолько приближенные к истинным, что для конкретной цели они могут быть достаточно использованы вместо истинных. Вопросы о необходимой степени приближения являются самыми трудными вопросами теории в метрологии, а курса нашего они касаются чисто факультативно, поэтому нам остается Вас адресовать к дисциплине - «теоретическая метрология», где эти вопросы будут изучаться подробно.

Истина вторая. Все наши сведения о погрешностях измерений носят заведомо приближенный характер, так как истинные значения физических величин необходимо называть действительными значениями величин. Поэтому принято говорить об оценивании погрешности измерений как о процедуре действий в процессе измерений, об оценках погрешности измерений как о результатах этих действий.

Истина третья. Погрешность измерения есть объективное и неизбежное ЗЛО. Что это значит? Это означает то, что из-за погрешности измерений страдают простые люди любой страны, страдают организации, предприятия, экономика страны, экология нашей жизни и иногда даже существующий правопорядок в стране! Обвесы в магазине при покупках продукции! Ошибки первого и второго рода из-за погрешности измерений при контроле измерений! Экологические неточности и погрешности в измерениях вредных выбросов в атмосферу ставят под удар безопасность жизни человечества на земле! Эти примеры можно перечислять бесконечно.

Истина четвертая. Знание погрешности является в то же время не только злом, но и благом.

Мы можем, на основании знаний погрешности:

-разумным образом выбирать средства измерений и методики выполнения измерений для решения огромного круга измерительных задач;

-сопоставлять СИ и МВИ по важнейшему критерию - точности измерений;

-сопоставлять результаты измерений, полученные в разных условиях, с помощью различных методов и СИ;

-оценивать достоверность результатов измерений с испытаниями и контролем продукции при оценке ее качества и т.д.

Истина пятая. Обязательным условием знания погрешности измерений является наличие эталонов единиц тех величин, которые измеряются. Под эталоном единицы величины понимается СИ или комплекс СИ, предназначенных для воспроизведения и хранения единицы и передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме СИ. Одной из центральных статей Закона РФ «Об обеспечении единства измерений» является статья 9, гласящая, что измерения должны выполняться в соответствии с аттестованными в установленном порядке методиками. Для выполнения этого требования был создан ГОСТ Р 8.563 -96 «ГСИ. Методики выполнения измерений». Под действие этого стандарта подпадает огромный массив измерительных процедур, для которых погрешность результата измерений не сводится к

погрешности применяемого средства измерений, а еще и к погрешности измерений параметров изделий производства. Дело в том, что СИ не создаются сами для себя. Они существуют для обслуживания жизнедеятельности общества во всевозможных областях жизненного цикла последнего. Поэтому мы вынуждены кратко остановиться на вопросе о том, что тотальное внедрение МВИ в жизнь обращения СИ и методов их использования в сферах деятельности Российской Федерации в текущем моменте жизни будет крайне противоречивым. В процессе разработки МВИ и их согласования для производств, в ходе аттестации, метрологического контроля и надзора, будут возникать конфликтные ситуации между региональными ЦСМ, Госстандартом Российской Федерации и конкретными организациями Российской Федерации, организующими какую либо измерительную практику. Например, в области испытаний и контроля пищевой продукции и продовольственного сырья, в среднем только каждый пятый стандарт «дотягивает» в настоящее время до требования обеспечения единства измерений, т.е. Закона и стандарта на МВИ! Таким образом, для многих процедур испытаний и контроля качества продукции питания и сырья вопрос достоверности результатов измерений, испытаний и контроля фактически остается открытым, и, следовательно, применение стандартов, регламентирующих испытательные процедуры и не соответствующих требованию обеспечения единства измерений, не позволяет гарантировать достижение цели, сформулированной в Законе, т.е. защиту прав и законных интересов граждан Российской Федерации от отрицательных последствий недостоверных результатов измерений. Вот, что значит МВИ и ГОСТ Р 8.563-96! Чтобы не затрагивать проблем других предметов, мы ограничимся сказанным и перейдем к определению понятий процедур измерений.

2 Классификация измерений (Виды измерений)

Все измерения подразделяются на прямые измерения и косвенные измерения. Прямые измерения - измерения, при котором искомое значение физической величины получают непосредственно. Например, измерение массы на весах, температуры ртутным или спиртовым термометром, геометрических измерений с помощью линейно-угловых СИ и т.д.

Косвенные измерения - определение искомого значения физической величины на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной. Например, нахождение температуры по реакции термоЭДС в термопаре, удельного электросопротивления проводника по его сопротивлению, длине и площади поперечного сечения и т.д.

Из прямых и косвенных измерений вытекают понятия:

-совокупные измерения - проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин определяют путем решения системы уравнений, получаемых при измерениях этих величин в различных сочетаниях. Например, измерение массы отдельных гирь сравнением масс сочетания гирь;

-совместные измерения - проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для определения зависимости

между ними. Например, измерение, при которых электросопротивление при Т=20 °С и температурные коэффициенты измерительного резистора находят по данным прямых измерений его сопротивления при различных температурах;

-абсолютное измерение - измерение, основанное на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значений физических констант;

-относительное измерение - измерение отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерение изменения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную;

-принцип измерения - физическое явление или эффект, положенное

воснову измерения. Основывается на известных законах физики и химии;

-методы измерения – прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с использованным принципом измерений;

-средство измерения - техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящие и (или) хранящие единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в условиях установленной погрешности) в течение известного интервала времени;

-мера - средство измерения, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью. Например, однозначная мера - гири, многозначная