Методичка по ВСИТИ(Метрология)

3

PDF создан испытательной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

4

1. МЕТРОЛОГІЯ

Фундаментом для забезпечення єдності вимірювань у масштабах держави покликана служити метрологія – як наука про вимірювання, методи та засоби забезпечення єдності вимірювань та способи досягнення потрібної точності. Наукова метрологія займається вивченням проблем виміру фізичних величин, елементною базою засобів вимірювання, аналізом похибок вимірювань. Законодавча метрологія встановлює одиниці фізичних величин і правила їх використання, термінологію в метрології, розробляє і впроваджує вимоги, направлені на досягнення єдності вимірювань.

Виміри пронизують усі сфери інженерної праці, а вимірювальна інформація використовується для прийняття не тільки технічних, але і управлінських рішень. Результат измерения заслуживает внимание при условии обеспечения требуемой точности и возможности оценки погрешности. Ступінь точності повинна визначатися критеріями як техничної, так и экономичної доцільності. Підвищення точності вимірів у два рази збільшує вартість вимірів у декілька разів. В той же час зниження точності може привести до браку продукції, порушенню экології або здоров’я людей.

1.1. Фізична величина

Фізична величина визначена як властивість, спільна в якісному співвідношенні для безлічі об'єктів, фізичних систем, їх достатків і процесів, що відбуваються в них, але індивідуальне в кількісному відношенні для кожного з них. Можливість фізичної реалізації одиниці є визначальною ознакою поняття «Фізична величина» і дозволяє визначити її «розмір». Розмір фізичної величини існує об'єктивно, незалежно від того, знаємо ми його або не знаємо.

Значення фізичної величини - оцінка фізичної величини в прийнятих для виміру даної величини одиницях.

У теорії вимірів вводяться поняття дійсного, і дійсного виміряного значення фізичної величини.

Деталі, однакові на перший погляд, виготовлені в умовах серійного і масового виробництва не завжди мають однакові розміри оброблених поверхонь. Виготовлення деталей з абсолютно

PDF создан испытательной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

5

однаковими розмірами економічно не виправдане. У зв’язку з цим допускаються відхилення дійсного розміру деталі від номінальної величини, при яких зберігаються експлуатаційні характеристики виробу. Знаходження дійсного значення вимірюваної фізичної величини є центральною проблемою метрології. Стандарт визначає дійсне значення, як значення фізичної величини, яке ідеальним чином відображало б в якісному і кількісному стосунках відповідну властивість об'єкту. Одним з постулатів метрології є положення про те, що дійсне значення фізичної величини існує, проте визначити його шляхом виміру неможливо.

У практиці вимірів оперують поняттям дійсного виміряного значення фізичної величини, знайденого експериментальним шляхом і що настільки наближається до дійсного, що для даної мети може бути використано замість нього. Під виміряним значенням розуміється значення величини, відлічене по відліковому пристрою засобу виміру.

Вимірювана фізична величина - фізична величина, яка підлягає виміру відповідно до поставленого вимірювального завдання.

Фізична величина, що впливає - фізична величина, що безпосередньо не вимірювана засобом виміру, але що робить вплив на нього або на об'єкт виміру таким чином, що це приводить до викривлення результату виміру

Постійна величина - фізична величина, розмір якої за умовами вимірювального завдання, можна вважати таким, що не змінюється за час, що перевищує тривалість виміру.

Змінна величина - фізична величина, що змінюється по розміру в процесі виміру.

Інформація, яка виникає при взаємодії вимірювального приладу з об’єктом виміру, повинна перетворюватись таким чином, щоб отримати результат виміру як поіменоване число у явному вигляді.

1.2. Міжнародна система одиниць

Одиниця фізичної величини згідно з ДСТУ 2681-94 – це певний розмір даної величини, прийнятий за угодою Генеральної конференції з мір та ваг для кількісного відображення однорідних з нею величин. В природі фізичні величини пов’язані між собою залежностями, які

PDF создан испытательной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

6

виражають одні величини через інші і називаються рівняннями зв’язку між величинами. Сукупність пов’язаних такими залежностями величин, серед яких одні умовно називаються незалежними, а інші виражаються через них, називають системою величин.

Вибір основних величин і розмірів їх одиниць під час побудови системи теоретично дозвільний, але він продиктований певними вимогами практики, а саме:

∙кількість основних величин має бути обмеженою;

∙за основні мають бути вибрані величини, одиниці яких легко відтворити з високою точністю;

∙розміри основних одиниць мають бути такі, щоб на практиці значення всіх величин системи не виражались ні надто малими, ні надто великими числами;

∙похідні одиниці мають бути когерентні, тобто входити в рівняння, що пов’язують їх з іншими одиницями системи.

Одиниці цієї системи, які не належать ні до основних, ні до похідних, називаються додатковими (радіан – рад, стерадіан –ср), а одиниці що не входять в цю систему, є позасистемними (літр – л, тонна – т, градус – °)

Визначення основних одиниць через фундаментальні фізичні константи (ідеї М. Планка) сьогодні втілені в означені та відтворені: метр - на швидкості світла у вакуумі, секунда - на частоті квантового переходу атомів цезія-133, кельвін-на використанні реперних точок постійної температури (потрійна точка води-273,16 К, точка твердіння цинку-692,73 К, точка твердіння золота-1337.58 К), кандела - на використанні фундаментальних властивостей світлового випромінювання абсолютно чорного тіла, моль - на числі Авогадро. Проблемою метрології залишається відтворення кілограма, яке до цього часу проводиться за допомогою платино-ірідієвих гир, маса яких постійно змінюється в наслідок фізико-хімічних процесів. Державний первинний еталон одиниці маси забезпечує абсолютне середньоквадратичне відхилення ≤8٠103 мг.

1.3. Вимір фізичних величин

Вимір - знаходження значення фізичної величини дослідним шляхом за допомогою спеціальних технічних засобів.

PDF создан испытательной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

7

Вимірювати можна лише властивості реально існуючих об'єктів пізнання, визначені фізичними величинами. Вимір ґрунтується на експериментальних процедурах. Жодні теоретичні міркування або розрахунки самі по собі не можуть класифікуватися, як вимір. Будь-який вимір, як пізнавальний процес, полягає в порівнянні шляхом фізичного експерименту даної величини з деяким її значенням, прийнятим за одиницю порівняння, тобто з мірою.

Для виміру фізичної величини необхідно встановити розмір її градації і фізично реалізувати її у вигляді міри або шкали для здобуття кількісної оцінки. Розрізняють чотири типа шкал: шкала найменувань, шкала ладу, шкала інтервалів і шкала стосунків. Шкала відношень є найдосконалішою і найбільш інформативною. За шкалою відношень результати вимірів можна складати між собою, віднімати, перемножувати або ділити.

На результат виміру значний вплив виявляє температура навколишнього середовища, атмосферний тиск, вологість повітря, вібрація и т.п. Для запобігання додаткових похибок, при вимірюванні, Державним стандартом призначені наступні вимоги вимірів:

∙температура навколишнього середовища 20 °С;

∙атмосферний тиск 101324,72 Па (760 мм рт. ст.);

∙відносна вологість 58 %;

∙прискорення свободного падіння 9,8 м/с2;

∙напрямок лініі вимірення лінейних розмірів до 160 мм на зовнішніх поверхнях вертикальний, в інших случаях горизонтальний;

∙відносна швидкість виміру кутів, дорівнює нулю.

1.4. Методи вимірюваннь

За способом знаходження дійсного виміряного значення вимірювальної величини розрізняють прямі, непрямі, спільні і сукупні виміри.

Прямий вимір - при якому виміряне значення величини знаходять безпосередньо за свідченнями засобів виміру.

Непрямий вимір - при якому іскоме значення величини знаходять розрахунком на підставі відомої залежності між іскомою величиною і величинами, функціонально пов'язаними з нею і визначеними за допомогою вимірів. Іншими словами, іскоме значення

PDF создан испытательной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

8

фізичної величини розраховують по формулі, а значення величин, що входять у формулу, отримують вимірами.

Спільні виміри - одночасні виміри двох або декількох різнорідних величин для встановлення залежності між ними.

Сукупні виміри — одночасні виміри декількох однойменних величин, при яких іскомі значення величин знаходять вирішенням системи рівнянь, що отримуються при прямих вимірах різних поєднань цих величин.

Прості виміри - отримані за допомогою однократного відліку свідчень.

Статистичні виміри - отримані за допомогою багатократного відліку свідчень з подальшою статистичною обробкою їх результатів.

При вимірюванні методом порівняння з мірою вимірювану величину порівнюють з величиною, відтвореною мірою. При вимірі іскоме значення фізичної величини знаходиться за допомогою зіставлення її з мірою, що матеріалізує одиницю цієї величини. Відмінною рисою методів порівняння є безпосередня участь міри в процедурі виміру або наявність пристрою порівняння. Залежно від способу вживання міри розрізняють методи безпосередньої оцінки і методи порівняння.

При вимірюванні методом безпосередньої оцінки іскоме значення величини визначають безпосередньо по відліковому пристрою засобу виміру, який проградуйований у відповідних одиницях.

Метод порівняння з мірою має декілька різновидів: нульовий метод, диференціальний метод, метод заміщення і метод збігів.

Нульовий метод - метод порівняння з мірою, в якому результуючий ефект дії вимірювальної величини і зустрічної дії міри на пристрій порівняння зводять до нуля.

Диференціальний метод - різниця між вимірюваною величиною і величиною, відтворений мірою, відлічується за шкалою приладу.

Метод заміщення - метод порівняння з мірою, в якому вимірювальну величину заміщають відомою величиною, відтворною мірою.

Метод збігів - різниця між вимірюваною величиною і величиною відтвореною мірою. При вимірюванні використовують збіги відміток шкал або періодичних сигналів.

PDF создан испытательной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

9

2. ЗАСОБИ ВИМІРЮВАНЬ

Засобами вимірів називають технічні пристрої, які мають нормовані метрологічні характеристики і беруть участь у вимірах. По конструктивному виконанню і формі представлення вимірювальної інформації засоби вимірів розділяються на міри, вимірювальні прилади, вимірювальні установки, вимірювальні системи, вимірювальні перетворювачі.

Міра — засіб вимірів, призначений для відтворення одного або декількох фіксованих значень фізичної величини.

Вимірювальний прилад — засіб вимірів, призначений для вироблення сигналу вимірювальної інформації у формі, доступній для безпосереднього сприйняття спостерігачем. Залежно від форми представлення інформації розрізняють аналогові і цифрові прилади. Аналоговим називають вимірювальний прилад, свідчення якого є безперервною функцією вимірюваної величини. У цифровому приладі здійснюється перетворення аналогового сигналу вимірювальної інформації в цифровий код, і результат виміру відбивається на цифровому табло.

Вимірювальна установка — сукупність функціонально об’єднаних засобів вимірів і допоміжних пристроїв, розташованих в одному місці і призначених для вироблення сигналу вимірювальної інформації у формі, зручній для безпосереднього сприйняття спостерігачем.

Вимірювальна система — сукупність засобів вимірів і допоміжних пристроїв, сполучених між собою каналами зв'язку, призначена для вироблення сигналів вимірювальної інформації у формі, зручній для автоматичної обробки, передачі і (або) використання в системах управління, контролю, діагностування і тому подібне.

Вимірювальний перетворювач — засіб вимірів, призначений для перетворення сигналів вимірювальної інформації у форму, доцільну для передачі, обробки або зберігання. Вимірювальна інформація на виході вимірювального перетворювача, як правило, недоступна для безпосереднього сприйняття спостерігачем. Вимірювальні перетворювачі дуже всілякі, проте, всі вони мають нормовані метрологічні характеристики. Приклади вимірювальних

PDF создан испытательной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

10

перетворювачів; термопари, вимірювальні трансформатори струму і напруги, вимірювальні підсилювачі і ін.

Вимірювальні міри, інструменти і прилади по конструктивним ознакам підрозділяються на такі основні групи:

∙штрихові - масштабна лінійка;

∙ноніусні - штангенциркуль, штангенрейсмус, штангенглибиномір;

∙мікрометричні - мікрометричний глибиномір, мікрометр, мікрометричний нутромір (штихмас);

∙механічно-шкальні - мініметр, мікрокатор;

∙важільно-оптичні - довжиномір, оптиметр;

∙пневматичні;

∙електричні;

∙інші групи приладів.

Вимірювальні засоби характеризуються такими метрологічними показниками:

∙границі вимірювання приладу - найбільші та найменші значення величини, котрі можуть бути виміряні даним приладом;

∙точність підрахунку - точність досягнута при виконанні підрахунку на даному приладі (дорівнює ціні поділки або її дробової частини);

∙ціна поділки шкали приладу - величина відповідна найменшому поділу шкали;

∙похибка показання приладу - різниця між показанням приладу і дійсним значенням вимірюваної величини;

∙варіація приладу (нестабільність показів) - найбільша різниця між результатами окремих вимірів, при незмінних умовах.

Ціна поділки основної шкали штангенінструментів дорівнює 1мм,

аточність вимірювання розмірів підвищується завдяки використанню шкали ноніусу. Ціна поділки ноніусу підраховується із відношення ціни поділки основної шкали приладу до кількості поділок шкали ноніусу (на рис.2.1а дорівнює 0,1мм). При вимірюванні ціле число міліметрів, яке містить розмір деталі, визначається цілим числом інтервалів основної шкали відрахованим нульовою поділкою шкали ноніуса. Дробова доля міліметра підраховується по порядковому номеру поділки шкали ноніуса, яка співпадає з яким - то штрихом

PDF создан испытательной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com