Кратные и дольные единицы

Наиболее прогрессивным способом образования кратных и дольных единиц является принятая в метрической системе мер десятичная кратность между большими и меньшими единицами.

Кратная единица – это единица ФВ в целое число превышающая системную или внесистемную единицу. Километр – кратная ед. = 10³ м.

Дольная единица - это единица ФВ в целое число раз меньше системной или внесистемной единицы. Миллиметр – дольная ед. = 10^-3м.

10. ИЗМЕРЕНИЯ

10.1. характеристики измерений

Для характеристики измерений используются: принцип измерений, метод измерений, погрешность, точность, правильность и достоверность.

Принцип измерений - физическое явление или совокупность физических явлений, положенных в основу измерений (закон всемирного тяготения, электромагнитной индукции, термоэлектрический эффект и т.д.).

Метод измерений - совокупность приемов использования принципов и средств измерений.

Средство измерений - технические средства, имеющие нормированные метрологические свойства.

Погрешность измерений - разность между полученным при измерении Х и истинным Q значениями измеряемой величины:

=Х - Q

Точность измерений - это характеристика измерений, отражающая близость их результатов к истинному значению измеряемой величины.

Количественно точность это величина, обратная модулю относительной погрешности:

Например, если погрешность измерений равна , то точность равна .

Правильность измерения - качество измерения, отражающее близость к нулю систематических погрешностей результатов.

Систематические погрешности – те, которые остаются постоянными или закономерно изменяются при повторных измерениях одной и той же величины.

Правильность измерений зависит от того, насколько действительный размер единицы, в которой выполнено измерение, отличается от ее истинного размера.

Достоверность - характеризует доверие к результатам измерений и делит их на две категории:

достоверные и недостоверные,

Достоверные результаты - известны вероятностные характеристики их отклонений от истинных значений.

Результаты измерений, достоверность которых неизвестна, не представляют ценности.

10.2. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ

1) По характеру зависимости измеряемой величины от времени методы измерений подразделяются на:

- статические, при которых измеряемая величина остается постоянной во времени;

- динамические, в процессе которых измеряемая величина изменяется и является непостоянной во времени.

Статическими измерениями являются, например, измерения размеров тела, постоянного давления; динамическими - измерения пульсирующих давлений, вибраций.

2) По способу получения результатов измерений (виду уравнения измерений) методы измерений разделяют на прямые, косвенные, совокупные и совместные.

При прямом измерении искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных, например, измерение угла угломером или измерение диаметра штангенциркулем.

При косвенном измерении искомое значение величины определяют на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям, например, определение объема по результатам измерения линейных размеров.

Совместными называют измерения, производимые одновременно (прямые или косвенные) двух или нескольких разноименных величин. Цель - нахождение функциональной зависимости между величинами, например, зависимости длины тела от температуры, зависимости электрического сопротивления проводника от давления и т.п.

Совокупные измерения - значения измеряемых величин находят по данным повторных измерений одной или нескольких одноименных величин при различных сочетаниях мер или этих величин. Результаты совокупных измерений находят путём решения системы уравнений, составляемых по результатам нескольких прямых измерений. Например, совокупными являются измерения, при которых массы отдельных гирь набора находят по известной массе одной из них и по результатам прямых сравнений масс различных сочетаний гирь.

3) По способу получения значений измеряемых величин различают два основных метода измерений: метод непосредственной оценки и метод сравнения с мерой.

Метод непосредственной оценки - метод измерения, при котором значение величины определяют непосредственно по отсчётному устройству измерительного прибора прямого действия (например, измерение длины с помощью линейки или размеров деталей микрометром, угломером и т.д.).

Метод сравнения с мерой - метод измерения, при котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.

Существуют несколько разновидностей метода сравнения:

метод противопоставления, при котором измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения;

дифференциальный метод, при котором измеряемую величину сравнивают с известной величиной, воспроизводимой мерой. Например, определение размера детали на оптиметре после его настройки на нуль по блоку концевых мер длины;

нулевой метод, при котором результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля. Подобным методом измеряют электрическое сопротивление по схеме моста с полным его уравновешиванием;

метод совпадений, при котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, определяют, используя совпадения отметок шкал или периодических сигналов (например, при измерении штангенциркулем используют совпадение отметок основной и нониусной шкал).

10.3. ВИДЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Измерения физических величин подразделяются на следующие области и виды:

1. Измерения геометрических величин: длин; отклонений формы поверхностей; параметров сложных поверхностей; углов.

2. Измерения механических величин: массы; силы; крутящих моментов, напряжений и деформаций; параметров движения; твердости.

3. Измерения параметров потока, расхода, уровня, объема веществ: массового и объемного расхода жидкостей в трубопроводах; расхода газов; вместимости; параметров открытых потоков; уровня жидкости.

4. Измерения давлений, вакуумные измерения: избыточного давления; абсолютного давления; переменного давления; вакуума.

5. Физико-химические измерения: вязкости; плотности; содержаний (концентрации) компонентов в твердых, жидких и газообразных веществах; влажности газов, твердых веществ; электрохимические измерения.

6. Теплофизические и температурные измерения: температуры; теплофизических величин.

7. Измерения времени и частоты: методы и средства воспроизведения и хранения единиц и шкал времени и частоты; измерения интервалов времени; измерения частоты периодических процессов; методы и средства передачи размеров единиц времени и частоты.

8. Измерения электрических и магнитных величин на постоянном и переменном токе: силы тока, количества электричества, электродвижущей силы, напряжения, мощности и энергии, угла сдвига фаз; электрического сопротивления, проводимости, емкости, индуктивности и добротности электрических цепей; параметров магнитных полей; магнитных характеристик материалов.

9. Радиоэлектронные измерения: интенсивности сигналов; параметров формы и спектра сигналов; параметров трактов с сосредоточенными и распределенными постоянными; свойств веществ и материалов радиотехническими методами; антенные.

10. Измерения акустических величин: акустические - в воздушной среде и в газах; акустические - в водной среде; акустические - в твердых телах; аудиометрия и измерения уровня шума.

11. Оптические и оптико-физические измерения: световые, измерения оптических свойств материалов в видимой области спектра; энергетических параметров некогерентного оптического излучения; энергетических параметров пространственного распределения энергии и мощности непрерывного и импульсного лазерного и квазимонохроматического излучения; спектральных, частотных характеристик, поляризации лазерного излучения; параметров оптических элементов, оптических характеристик материалов; характеристик фотоматериалов и оптической плотности.

12. Измерения ионизирующих излучений и ядерных констант: дозиметрических характеристик ионизирующих излучений; спектральных характеристик ионизирующих излучений; активности радионуклидов; радиометрических характеристик ионизирующих излучений.

11. Средства измерений

Средство измерения (СИ) – техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу ФВ, размер которой принимается неизменным в пределах установленной погрешности в течение известного интервала времени.

СИ сгруппированы по отдельным классификационным признакам:

- по способу регистрации сигнала - показывающие, регистрирующие (печатающие, пишущие), комбинированные (одновременно показывающие и регистрирующие), интегрирующие (суммирующие);

- по роду выходного сигнала - аналоговые, цифровые, аналого-цифровые;

- по физической природе измеряемой величины - механические, гидравлические, пневматические, тепловые, акустические, электрические, электронные, комбинированные и прочие;

- по виду шкалы - с равномерной и неравномерной шкалой, с нулевой отметкой внутри, на краю или вне шкалы;

- по степени автоматизации - неавтоматические (с ручной наводкой), автоматизированные, автоматические;

- по характеру использования - образцовые, лабораторные, технические (промышленные), полевые.

Основные виды СИ:

- мера – средство, хранящее или воспроизводящее ФВ заданного размера. Мера может быть однозначной (гиря, калибр) и многозначной (измерительная линейка, магазин электрических сопротивлений). Измерение методом сравнения с мерой выполняют с помощью специальных средств - компараторов (равноплечие весы, электрический измерительный мост). В ряде случаев в качестве компаратора выступает человек - оператор;

- измерительный преобразователь – средство, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, обработки, хранения, но не доступной для непосредственного восприятия оператором (термопара, термометр сопротивления, усилитель);

- измерительный прибор – средство, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия оператором (амперметр, вольтметр, манометр);

- измерительная установка – совокупность функционально объединённых СИ и вспомогательных устройств, расположенных в одном месте (установки для поверки измерительных приборов, испытаний электротехнических материалов);

- измерительная система – комплекс СИ и устройств связи (проводная, инфракрасная, радио, телевизионная, оптоволоконная), предназначенный для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для использования в системах автоматического контроля и управления;

- информационно-вычислительный комплекс (ИВК) – системы автоматического контроля и управления, технического диагностирования, распознавания образов на базе микропроцессорной и вычислительной техники;

- измерительные принадлежности – вспомогательные средства измерений величин (термометр, психрометр для измерения параметров воздуха).

12. ЭТАЛОНЫ

По метрологическому назначению СИ подразделяют на два вида:

- эталоны;

- рабочие (лабораторные, производственные, полевые).

Эталон – высокоточная мера, предназначенная для воспроизведения, хранения единицы величины с целью передачи её значения другим менее точным СИ.

Эталоны классифицируют на первичные (составляют основу государственной системы измерений), вторичные, рабочие (разрядные). Рабочие эталоны воспринимают размер единицы от вторичных эталонов и передают его рабочим СИ. Эталонная база РФ имеет в своём составе 114 государственных и более 250 вторичных эталонов ФВ.

Перспективное направление развития эталонов – переход на эталоны, основанные на квантовых эффектах. Способность таких эталонов воспроизводить единицы величин не зависит от внешних условий, географического местонахождения, времени.

Рабочие – средства, предназначенные для выполнения измерений в лабораторных и производственных условиях.

13. Метрологические характеристики СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ

Метрологические характеристики (МХ) – характеристики, которые позволяют судить о пригодности СИ для измерений в известном диапазоне с известной точностью.

Индикаторы – приборы и вещества, не имеющие нормированных МХ.

МХ вводят для СИ с целями:

- обеспечения возможности установления точности измерений;

- достижения взаимозаменяемости СИ;

- сравнения и выбора нужных СИ по точности измерений;

- определения погрешности измерительных систем и установок на основе МХ входящих в них СИ;

- оценки технического состояния СИ при поверке.

Нормальные МХ устанавливают нормативными документами. Наибольшее распространение на практике получили МХ:

- диапазон показаний – область значений шкалы, ограниченная начальным и конечным значениями;

- диапазон измерений – область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые пределы погрешности;

- цена деления шкалы – разность значений величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы. СИ с равномерной шкалой имеют постоянную цену деления, а с неравномерной - переменную;

- чувствительность S – отношение изменения сигнала на выходе y к вызвавшему это изменение изменению x сигнала на входе:

S = y / x.

Для стрелочного прибора это отношение перемещения dl конца стрелки к вызвавшему его изменению dx измеряемой величины:

S = dl / dx;

- постоянная прибора С – величина обратная чувствительности:

C = 1/S;

- порог чувствительности – наименьшее значение измеряемой величины, вызывающее заметное изменение показаний прибора;

- вариация (гистерезис) H – разность между показаниями в данной точке диапазона измерения при возрастании и убывании измеряемой величины и неизменных внешних условий. Вариация обусловлена наличием зазоров, тепловым или упругим последействием элементов конструкции:

H = / x_в – x_у /,

где x_в, x_у – соответственно значения измерений образцовым прибором при возрастании и убывании величины x;

- градуировочная характеристика – зависимость между выходным и входным сигналами СИ, полученная расчётом или экспериментально, представленная аналитически, графически или в виде таблицы.

Градуировочная характеристика может изменяться в течение времени под воздействием внутренних и внешних причин.

Основным видом МХ является погрешность измерений – разность между показаниями СИ и истинными (действительными) значениями ФВ. Погрешности в зависимости от влияния внешних условий на результат измерений подразделяют на два вида:

- основная погрешность – погрешность СИ при нормальных условиях эксплуатации. Нормальные условия: температура 293 + 5 К, относительная влажность воздуха 65 + 15%, напряжение в сети электропитания 220 В + 10% с частотой 50 Гц + 1%, атмосферное давление 97,4…104,0 кПа, отсутствие наводок электрических и электромагнитных полей;

- дополнительная погрешность – погрешность измерений, возникающая при отклонении влияющих величин за диапазон значений, установленных нормальными условиями.

Существует несколько способов нормирования погрешности. Наибольшее применение в практике измерений аналоговыми СИ получило нормирование класса точности по приведённой погрешности , постоянной во всём диапазоне измерений.

Класс точности численно совпадает с основной допускаемой приведённой погрешностью. ГОСТ Р установлены классы точности для СИ:

- эталонных, образцовых, лабораторных 0.01…0,5;

- промышленных 0,6…4,0.

Класс точности указан в технической документации, на шкале СИ.

14. Погрешности измерений

При выполнении практических измерений важно оценить их точность.

Термин «точность измерений» не имеет строго определения и используется для качественного сравнения измерительных операций.

Для количественной оценки применяют термин «погрешность измерений». Оценка погрешности измерений одна из важнейших задач обеспечения единства измерений.

Для практических целей рассматривают систематические и случайные погрешности, выраженные в абсолютной, относительной или приведённой форме.

Абсолютная погрешность – отклонение результата измерения x от действительного x_д значения измеряемой величины, выраженное в единицах измерения (абсолютная погрешность может быть положительной или отрицательной):

= x – x_д . (6)

Относительная погрешность – отношение абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой величины, выраженное в процентах:

= ^. 100, % . (7)

Приведённая погрешность – отношение абсолютной погрешности к нормирующему x_N значению, выраженное в процентах:

= ^. 100, %.

Нормирующее значение выбирают в зависимости от вида и характера шкалы прибора и принимают равным:

- конечному значению рабочей части шкалы, если нулевая отметка на краю или вне рабочей части шкалы;

- сумме конечных значений шкалы (без учёта знаков), если нулевая отметка внутри шкалы;

- номинальному значению, если прибор предназначен для измерения отклонения величины от номинального значения.

В зависимости от характера проявления, причин возникновения, и возможностей устранения различают разновидности погрешности:

- систематическая – остаётся постоянной или изменяется закономерно при повторных измерениях одного и того же параметра;

- случайная – изменяется случайным образом при повторных измерениях одного и того же параметра. Значение случайной погрешности заранее не известно, возникает из-за множества не уточнённых факторов, может быть уменьшено обработкой результатов измерений;

- грубая (промах) – возникает из-за ошибок оператора, неисправности СИ, резких изменений условий измерений. Грубые погрешности выявляют и устраняют в результате обработки результатов измерений.

Систематическая погрешность имеет составляющие:

- субъективная – связана с индивидуальными особенностями и неопытностью оператора;

- методическая – вызвана несовершенством метода измерения, некорректностью расчётных формул, округлением результатов;

- инструментальная – обусловлена собственной погрешностью СИ.

Систематическая погрешность может быть исключена или уменьшена за счёт устранения источников погрешности до начала измерений профилактикой погрешности, а в процессе измерений внесением поправок.

Профилактика погрешности – устранение влияния внешних факторов на точность измерений путём поверки, регулировки и ремонта СИ.

В ряде случаев определяют общую погрешность как сумму систематической _с и случайной ₀ погрешностей:

= _с + ₀

В зависимости от изменения её величины погрешность измерения может быть:

- аддитивная – не изменяется во всём диапазоне измерения;

- мультипликативная – изменяется пропорционально измеряемой величине.

В большинстве случаев аддитивная и мультипликативная составляющие действуют одновременно.

15. Федеральное агентство РФ по техническому регулированию и метрологии РФ

Государственное управление деятельности по обеспечению единства измерений в России осуществляет Федеральное агентство РФ по техническому регулированию и метрологии, в ведении которой находятся организации:

- Государственная метрологическая служба (ГМС);

- Государственная служба времени и частоты и определения параметров вращения земли (ГСВЧ);

- Государственная служба стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов (ГССО);

- Государственная служба стандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществ и материалов (ГСССД).

Основные задачи Федерального агентства РФ по техническому регулированию и метрологии в области метрологии:

- реализация государственной политики в сфере метрологии, установление и использование стандартов, эталонов, единиц величин;

- осуществление мер по защите прав потребителей и интересов государства в области контроля за соблюдением безопасности товаров (услуг);

- организация функционирования систем обеспечения единства измерений, аккредитации, сбора и анализа научно-технической информации;

- проведение государственного метрологического контроля;

Федеральное агентство РФ по техническому регулированию и метрологии сотрудничает с международными организациями по метрологии:

- Международное бюро мер и весов (МБМВ);

- Генеральная конференция мер и весов (ГКМВ);

- Международный комитет мер и весов (МКМВ);

- Международная организация законодательной метрологии (МОЗМ);

- Международная конференция по измерительной технике и приборостроению (ИМЕКО);

- Международная организация по стандартизации (ИСО) в составе технического комитета «Величины, единицы, обозначения и переводные множители»;

- Международная электротехническая комиссия (МЭК).

В рамках СНГ проблемы метрологии решает Межгосударственный совет, созданный в соответствии с межправительственным документом «Соглашение о проведении согласованной политики в области стандартизации, метрологии и сертификации».

Литература

1. Сергеев А.Г., Латышев М.В., Терегеря В.В. Метрология, стандартизация, сертификация: Учебное пособие. – Изд. 2-е, перераб. и доп. – М.: Логос, 2004. – 560 с.: ил.

2. Лифиц И.М. Стандартизация, метрология и сертификация: Учебник. – 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Юрайт-Издат, 2004. – 335 с.

3. Димов Ю.В. Метрология, стандартизация и сертификация. Учебник для вузов. 2-е изд. – СПб.: Питер, 2004. - 432 с.: ил.