Н.Г. Розенко Метрология. Методы и средства измерений физических величин

1

1. ЦЕЛЬ И СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Изучить принципы формирования результата измерения физиче-

ских величин, методы, методики, а также средства измерений для метрологического обеспечения производства.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ Физическая величина является одним из свойств физического объ-

екта, физической системы, явления или процесса. В качественном отношении это свойство является одним для многих физических объектов, однако в количественном отношении оно индивидуально для каждого из них. Количественная определенность физической величины, присущая конкретному материальному объекту, системе, явлению, процессу называется размером физической величины. Значение физической величины формируется путем выражения физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц.

Значение физической величины, которое идеальным образом характеризует в качественном и количественном отношении соответствующую физической величину, называется истинным значением величины. Оно может быть соотнесено с понятием абсолютной истины и может быть получено только в результате бесконечного процесса измерений с бесконечным совершенствованием методов и средств измерений.

Действительное значение физической величины – это значение физической величины, полученное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному значению, что в поставленной измерительной задаче может быть использовано вместо него.

Совокупность физических величин, образованная в соответствии с принятыми принципами, называется системой физических величин.

В системе физических величин одни величины принимаются как независимые, а другие определяются как функции независимых величин.

Физическая величина, входящая в систему величин и условно принятая в качестве независимой от других величин этой системы называется основной физической величиной.

Физическая величина, входящая в систему величин и определяемая через основные величины этой системы, называется производной физической величиной.

Измерение физической величины – это совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения в явном или не-

2

явном виде измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины. Если ряд измерений какой-либо величины выполнен одинаковыми по точности средствами измерений в одних и тех же условиях с одинаковой тщательностью, то такие измерения называются равноточными. Если ряд измерений какой-либо величины выполнен различающимися по точности средствами измерений и (или) в разных условиях, то такие измерения называются неравноточными.

Если измерение выполнено один раз, то оно называется однократным. Измерение называется многократным, если при измерении физической величины одного и того же размера результат получен из нескольких следующих друг за другом измерений, т.е. состоящее из ряда однократных измерений.

Статическое измерение – это измерение физической величины, принимаемой в соответствии с конкретной измерительной задачей за неизменную на протяжении времени измерения.

Динамическое измерение – это измерение изменяющейся по размеру физической величины.

Измерение, основанное на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значений физических констант, называется абсолютным измерением. Например, измерение силы F = m g основано на применении основной величины массы – m

и использовании физической постоянной g в точке измерения массы. Относительное измерение – это измерение отношения величины к

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

Измерение, при котором исходное значение физической величины получают непосредственно называется прямым измерением. Например, измерение длины детали микрометром, силы тока – амперметром, массы на весах.

Если искомое значение физической величины определяется на основании прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной, то такие измерения называются косвенными. Например, плотность D тела цилиндрической формы можно определить на основании результатов прямых измерений массы m, высоты h и диаметра цилиндра d , связанных с плотностью уравнением

Проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин определяют путем решения системы уравнений, получаемых при измерении этих величин в разных сочетаниях, называются совокупными измерениями. Например, значение массы отдельных гирь набора определяют по известному значению массы одной из гирь и по результатам измерений (сравнений) масс различного сочетания гирь.

Если проводятся одновременно измерения двух или нескольких одноименных величин для определения зависимости между ними, то такие измерения называются совместными.

Видом измерений называется часть области измерений, имеющая свои особенности и отличающаяся однородностью измеряемых величин. Например, в области электрических и магнитных измерений могут быть выделены такие виды измерений: измерения электрического сопротивления, электродвижущей силы, электрического напряжения, магнитной индукции и др.

Подвидом измерений называется часть вида измерений, выделяющая особенностями измерений однородной величины (по диапазону, по размеру величины и др.) Например, при измерении длины выделяют измерения больших длин (в десятках, сотнях, тысячах километров) или измерения сверх малых длин – толщин пленок.

Средства измерительной техники – это технические средства, специально предназначенные для измерений. К средствам измерительной техники относятся средства измерений и их совокупности (измерительные системы, измерительные установки), измерительные принадлежности, измерительные установки.

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

Рабочее средство измерений – это средство измерений, предназначенное для измерений, не связанных с передачей размера единицы другим средствам измерений.

Основное средство измерений – это средство измерений той физической величины, значение которой необходимо получить в соответствии с измерительной задачей.

4

Вспомогательное средство измерений – это средство измерений той физической величины, влияние которой на основное средство измерений или объект измерений необходимо учитывать для получения результатов измерений требуемой точности. Например, термометр для измерения температуры газа при измерении объемного расхода этого газа.

Средство измерений называется автоматическим, если оно без непосредственного участия человека производит измерения и все операции, связанные с обработкой результатов измерений, их регистрацией, передачей данных или выработкой управляющего сигнала. Автоматическое средство измерений, встроенное в автоматическую технологическую линию, называется измерительным автоматом или контрольным автоматом. Разновидность контрольно-измерительных машин, отличающихся хорошими манипуляционными свойствами, высокими скоростями перемещений и измерений, называется измерительными роботами.

Средство измерений называется автоматизированным, если оно производит в автоматическом режиме одну или часть измерительных операций. Например, барограф измеряет и регистрирует давление; счетчик электрической энергии производит измерение и регистрацию данных нарастающим итогом.

Мерой физической величины называется средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных параметров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью.

Существуют следующие разновидности мер.

1.Однозначная мера – это мера, воспроизводящая физическую величину одного размера (например гиря 1 кг).

2.Многозначная мера – это мера, воспроизводящая физическую величину разных размеров (например штриховая мера длины).

3.Набор мер – это комплект мер разного размера одной и той же физической величины, предназначенных для применения на практике как в отдельности, так и в различных сочетаниях (например набор концевых мер длины).

4.Магазин мер – это набор мер конструктивно объединенных в единое устройство, в котором имеются приспособления для их соединения в различных комбинациях (например магазин электрических сопротивлений).

5

Измерительный набор – это средство измерений, предназначенное для получения значений измерений физической величины в установленном диапазоне. По способу индикации значений измеряемой величины измерительные приборы разделяются на показывающие и регистрирующие. По действию измерительные приборы разделяются на интегрирующие и суммирующие. Различаются также приборы прямого действия и приборы сравнения, аналоговые и цифровые приборы, самопишущие и печатающие приборы.

Совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенных для измерений одной или нескольких физических величин и расположенных в одном месте, называется измерительной установкой. Измерительная установка, применяемая при поверке, называется поверочной установкой. Измерительная установка, входящая в состав эталона, называется эталонной установкой. Некоторые большие измерительные устройства называются измерительными машинами. Измерительные машины предназначены для точных измерений физических величин. Например, силоизмерительная машина, машина для измерения больших длин в промышленном производстве, делительная машина, координатно-измерительная машина.

Измерительная система – это совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технологических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в различных целях. В зависимости от назначения измерительные системы разделяются на измерительные информирующие, измерительные управляющие системы и др. Измерительная система, перестраиваемая в зависимости от изменения измерительной задачи, называется гибкой измерительной системой.

Стандартный образец – это образец веществ или материала с установленными в результате метрологической аттестации значениями одной или более величин, характеризующими свойство или состав этого вещества или материала. Различаются стандартные образцы свойства и стандартные образцы состава. Примером стандартного образца свойства является стандартный образец относительной диэлектрической проницаемости. Стандартные образцы свойств веществ и материалов по метрологическому назначению выполняют роль однозначных мер. Они могут применяться в качестве рабочих эталонов с присвоением размера

6

по государственной поверочной схеме. Примером стандартного образца состава является стандартный образец состава углеродистой стали.

Измерительный преобразователь – это техническое средство с нормированными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи. Измерительный преобразователь может входить в состав измерительного прибора, измерительной установки, измерительной системы и др. или применяться вместе с какимлибо средством измерений. По характеру преобразования различаются аналоговые, цифро-аналоговые, аналогово-цифровые преобразователи. По месту в измерительной цепи различаются первичные и промежуточные преобразователи. Преобразователи также бывают масштабные и передающие.

Примеры преобразователей.

1.Термопара в термоэлектрическом термометре;

2.Электропневматический преобразователь.

Первичный измерительный преобразователь – это измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина. Например, термопара в цепи термоэлектрического термометра.

Датчик – это конструктивно обособленный первичный преобразователь, от которого поступают измерительные сигналы.

Средство сравнения – это техническое средство или специально создаваемая среда, посредством которых можно выполнить сравнение друг с другом мер однородных величин или показаний измерительных приборов.

Примеры средств сравнения.

1.Рычажные весы, на одну чашку которых устанавливается эталонная гиря, а на другую поверяемая.

2.Градуировочная жидкость для сравнения эталонного и рабочего ареометров.

3.Температурное поле, создаваемое термостатом для сравнения показаний термометров.

4.Давление среды, создаваемое компрессором, может быть измерено поверяемым и эталонным манометром одновременно; на основании показаний эталонного прибора градуируется поверяемый прибор.

Компаратор – это средство сравнения, предназначенное для сличения мер однородных величин. Например, рычажные весы.

7

Средство измерений, признанное годным и допущенное для применения уполномоченным на то органом, называется узаконенным средством измерений.

Государственные эталоны страны становятся таковыми в результате утверждения первичных эталонов национальным органом по стандартизации и метрологии. Рабочие средства измерений, предназначенные для серийного выпуска, узакониваются путем утверждения типа средства измерений.

Измерительные принадлежности – это вспомогательные средства, служащие для обеспечения необходимых условий для выполнения измерений с требуемой точностью. Примерами измерительных принадлежностей могут служить термостаты, барометры, противовибрационные фундаменты, устройства для экранирования электромагнитных полей, треноги для установки приборов и т.п.

Индикатор – это техническое средство или вещество, предназначенное для установления наличия какой-либо физической величины или превышения уровня ее порогового значения. Индикатор близости к нулю сигнала называется нуль-индикатором.

Примеры индикаторов.

1.Осциллограф служит индикатором наличия или отсутствия измерительных сигналов.

2.Лакмусовая бумага или другие вещества в химических реакциях.

3.Световой или звуковой сигнал индикатора ионизирующих излучений в случае превышения уровня радиации порогового значения.

Метрологической характеристикой средств измерений называется характеристика одного из свойств средств измерений, влияющая на результат измерений и на его погрешность. Для каждого типа средств измерений устанавливаются свои метрологические характеристики. Метрологические характеристики, устанавливаемые в нормативных и технических документах, называются нормированными метрологическими характеристиками, а определяемые экспериментально – действительными метрологическими характеристиками.

Вариация показаний измерительного прибора – это разность показаний прибора в одной и той же точке диапазона измерений при плавном подходе к этой точке со стороны меньших и больших значений измеряемой величины.

Диапазон показаний средств измерений – это область значений шкалы прибора, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы.

8

Диапазон измерений средств измерений – это область значений величины, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности средств измерений.

Значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу и сверху (слева и справа), называются соответственно нижним пределом измерений и верхним пределом измерений.

Номинальное значение меры – это значение величины, приписанное мере или партии мер при изготовлении, например гиря с номинальным значением 1 кг.

Действительное значение меры – это значение величины, приписанное мере на основании ее калибровки или поверки. Например, в состав государственного эталона единицы массы входит платиноиридиевая гиря с номинальным значением массы 1 кг, тогда как действительное значение ее массы составляет 1,000000087 кг получено в результате международных сличений с международным эталоном килограмма, хранящимся в Международном бюро мер и весов (МБМВ).

Чувствительность средства измерений – это свойство средства измерений, определяемое отношением измерения выходного сигнала этого средства к вызывающему его изменению измеряемой величины. Различаются абсолютная и относительная чувствительность. Абсолютная чувствительность определяется по формуле

где ∆ℓ – изменение сигнала на выходе; ∆x – изменение измеряемой величины.

Относительная чувствительность определяется по формуле

где X – измеряемая величина.

Порог чувствительности – это характеристика средства измерений в виде наименьшего значения изменения физической величины, начиная с которого может осуществляться ее измерение данным средством.

Смещение нуля – это показание средства измерений, отличное от нуля, при входном сигнале, равном нулю.

Дрейф показаний средства измерений – это изменение показаний средства измерений во времени, обусловленное изменением влияющих величин или других факторов.

Тип средства измерений – это совокупность средств измерений одного и того же назначения, основанных на одном и том же принципе

9

действия, имеющих одинаковую конструкцию и изготовляемых по одной и той же технической документации. Средства измерений одного типа могут иметь различные модификации (например отличаться по диапазону измерений).

Вид средства измерений – это совокупность средств измерений, предназначенных для измерений данной физический величины. Например, амперметры и вольтметры являются видами средств измерений соответственно силы электрического тока и напряжения. Вид средств измерений может включать несколько их типов.

Метрологической исправностью средств измерений называется такое их состояние, при котором все нормируемые метрологические характеристики соответствуют установленным требованиям.

Выход метрологической характеристики средства измерений за установленные пределы называется метрологическим отказом средства измерений.

Физическое явление или эффект, положенные в основу измерений, называется принципом измерений (например использование силы тяжести при измерении массы взвешиванием).

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

Метод непосредственной оценки – это метод измерений, при котором значение величины определяется непосредственно по показывающему средству измерений.

Метод сравнения с мерой – это метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Например, измерения массы на рычажных весах с уравновешением гирями (мерами массы с известным значением).

Нулевой метод измерений – это метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводят до нуля. Например, измерение электрического сопротивления мостом с полным его уравновешиванием.

Метод измерения замещением – это метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают мерой с известным значением величины. Например, взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашку весов.

Метод измерения дополнением – это метод сравнения с мерой, в котором значение измеряемой величины дополняется мерой этой же