34

Метрология.

1. Основные понятия метрологии. Предмет и задача метрологии.

Метрология – это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности (ГОСТ 16263-70). Греческое слово “метрология” образовано от слов “метрон” – мера и “логос” – учение.

Основная задача метрологии – обеспечение единства всех видов измерений. Под единством измерений понимают такое состояние при котором результаты измерений выражены в узаконенных единицах, а погрешность измерений известны.

Метрология делится на 3 взаимно дополняющих раздела. Основным из которых является “Теоретическая метрология”. В нем излагаются общие вопросы теории измерений. Раздел Прикладная метрология посвящён изучению вопросов практического применения в различных сферах деятельности результатов теоретических исследований. В третьем разделе “Законодательная метрология” рассматриваются комплексы взаимосвязанных и взаимообусловленных общих правил, требований и норм, а также другие вопросы, нуждающиеся в регламентации и контроль со стороны государства, направленные на обеспечение единства измерений и единообразия средств измерений (СИ). Структура Теоретической метрологии представлена на рисунке 1.

Предметом метрологии является извлечение количественной информации о свойствах объектов и процессов с заданной точностью и достоверностью.

Физические величины различают в качественном и количественном отношении. Качественная сторона определяет “вид” величины (например, электрическое сопротивление), а количественная – её “размер” (например, сопротивление конкретного резистора). Таким образом, физическая величина – это свойство, общее в качественном отношении для множества объектов и индивидуальное для каждого из них количественном отношении. Количественное содержание свойства соответствующего понятию, “физическая величина”, в данном объекте – размер физической величины.

измерение – это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств (ГОСТ 16263-70). Таким образом под измерением понимается процесс экспериментального сравнения данной физической величины с однородной физической величиной значение которой принято за единицу.

В определении отражены следующие главные признаки понятия “измерение”:

1. измерять можно свойства реально существующих объектов познания, т.е. физические величины;

2. измерение требует проведения опытов, т.е. теоретические рассуждения или расчеты не могут заменить эксперимент;

3. для проведения опытов требуются особые технические средства – средства измерений, приводимые во взаимодействие с материальным объектом;

4. результатом измерения является значение физической величины.

Значение ФВ. Количественная оценка измеряемой величины должна быть не просто числом, а числом именованным, т.е. результат измерения должен быть выражен в определенных единицах принятых для данной величины. Только в этом случае результаты измерений полученные различными средствами и разными экспериментаторами, сопоставимы.

2. Основы технических измерений.

2.1. Классификация измерений. Виды и методы измерений.

Измерения как экспериментальные процедуры определения значений измеряемых величин весьма разнообразны, что объясняется множеством измеряемых величин, различным характером их изменения во времени, различными требованиями к точности измерений и т.д. С помощью измерительного прибора сравнивают размер величины, информация о котором преобразуется в перемещение указателя (или другого устройства отображения информации), с единицей, хранимой шкалой этого прибора.

Измерения могут быть классифицированы:

1. по характеристике точности – равноточные (ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности СИ и в одних и тех же условиях), неравноточные (ряд измерений какой-либо величины, выполненных несколькими различными по точности СИ и (или) в нескольких разных условиях);

2. по общим приемам получения результатов измерений – прямые (измерения, при котором искомое значение физической величины получают непосредственно, например, измерение массы на весах), косвенные (измерение, при котором искомое значение ФВ определяют на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной);

3. по выражению результата измерений – абсолютные (измерение, основанное на прямых измерениях величин и (или) использовании значений физических констант, например измерение силы F основано на измерении основной величины массы – m и использовании физической постоянной – ускорения свободного падения g) и относительные (измерение отношения величины к одноименной величине, выполняющей роль единицы);

4. по отношению к изменению измеряемой величины – статические (измерение неизменной во времени ФВ, например, измерение длины детали при нормальной температуре) и динамические (измерение изменяющейся по размеру ФВ, например, измерение напряжения переменного тока);

5. по числу измерений в ряду измерений – однократные, многократные.

Метод измерения – это прием или совокупность приемов сравнения измеряемой ФВ с её единицей в соответствии с реализованным принципом измерения. Метод измерения должен по возможности иметь минимальную погрешность и способствовать исключению систематических погрешностей или переводу их в разряд случайных.

Для метрологического анализа более важными являются традиционные классификации, основанные на следующих признаках. Первый из них – физический принцип, положенный в основу измерения. По нему все методы измерений делятся на электрические, магнитные, акустические, оптические, механические и т.д. В качестве второго признака классификации используется режим взаимодействия средства и объекта измерений. В этом случае все методы измерений подразделяются на статические и динамические. Третьим признаком может служить применяемый в СИ вид измерительных сигналов. В соответствии с ним методы делятся на аналоговые и цифровые.

Наиболее разработанной является классификация по совокупности приемов использования принципов и СИ. По этой классификации различают метод непосредственной оценки и метод сравнения (см. рис. 2). Эти устоявшиеся в литературе названия не совсем удачны поскольку наводят на мысль о возможности измерения без сравнения. Представляется более правильным говорить о опосредованном и непосредственном сравнении с мерой. При этом непосредственным и опосредованным сравнение может быть, как во времени, так и в отношении физической природы измеряемых величин.

Сущность метода непосредственной оценки состоит в том, что о значении измеряемой величины судят по показанию одного (прямые измерения) или нескольких (косвенные измерения) средств измерений, которые заранее проградуированы в единицах измеряемой величины или единицах других величин, от которых она зависит. Это наиболее распространенный метод измерения. Его реализуют большинство средств измерений.

Простейшими примерами метода непосредственной оценки могут служить измерения напряжения электромеханическим вольтметром магнитоэлектрической системы или частоты импульсной последовательности методом дискретного счета, реализованном в электронно-счетном частотомере.

Другую группу образуют методы сравнения: дифференциальный, нулевой, совпадений, замещения. К ним относятся все те методы, при которых измеряемая величина сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой. Следовательно отличительной особенностью этих методов сравнения является непосредственное участие мер в процессе измерения.

При дифференциальном методе измеряемая величина Х сравнивается непосредственно или косвенно с величиной Х_М, воспроизводимой мерой о значении величины Х судят по измеряемой приборам разности ∆Х=Х–Х_М, и по известной величине Х_М, воспроизводимой мерой. Следовательно, Х=Х_М+∆Х. При дифференциальном методе производится неполное уравновешивание измеряемой величины. Он сочетает в себе часть признаков метода непосредственной оценки и может дать весьма точный результат измерения, если только измеряемая величина и величина воспроизводимая мерой, мало отличаются друг от друга. Например если разность этих двух величин составляет 1 % и измеряется с погрешностью до 1 % то тем самым погрешность измерения искомой величины уменьшается до 0,01 % (если не учитывать погрешность меры).

Примером дифференциального метода может служить измерение вольтметром разности двух напряжений, из которых одно известно с большой точностью, а другое представляет собой искомую величину.

Нулевой метод представляет собой разновидность дифференциального метода. Его отличие состоит в том, что результирующий эффект сравнения двух величин доводится до нуля. Это контролируется специальным измерительным прибором высокой точности – нуль-индикатором. В данном случае значение измеряемой величины равно значению, которое воспроизводит мера. Высокая чувствительность нуль-индикаторов, а также выполнение меры с высокой точностью позволяют получить малую погрешность измерения. Пример нулевого метода – взвешивание на весах, когда на одном плече находится взвешиваемый груз, а на другом плече – набор эталонных грузов. Другой пример – измерение сопротивления с помощью уравновешенного моста.

Метод замещения заключается в поочерёдном измерении прибором искомой величины и выходного сигнала меры, однородного с измеряемой величиной. По результатам этих измерений вычисляется искомая величина.