Глава 3. Измерения при проведении испытаний
3.1. Условия обеспечения эффективности измерений при управлении технологическими процессами и производством
В промышленном производстве измерения составляют в среднем до 10 % всех трудозатрат, а в отдельных отраслях экономики, например, радиотехники и электротехники они достигают 50 %.
Измерения могут считаться эффективными, если их результаты обеспечивают необходимое качество управления производством, а метрологическое обслуживание средств измерений минимально.
Для эффективности измерений необходимо следующее:
• обеспечивать единство измерений;
• при установлении необходимой точности измерений учитывать связи измеряемых параметров с производительностью технологического оборудования, себестоимостью и качеством продукции, безопасностью труда и экологической безопасностью;
• учитывать экономические потери и другие неблагоприятные последствия из-за погрешности измерений как в сфере производства так и при использовании продукции.
При отсутствии особых требований к точности измерений конкретных технологических параметров рекомендуется:
• минимизировать ту часть издержек производства продукции, которая зависит от погрешности измерений;
• при больших затратах на измерения оптимизировать точность измерений по экономическому критерию;
• выделять наиболее важные измеряемые параметры, погрешность которых соответствует эффективности измерений, если выполняется следующее условие:
где 3 — затраты на измерения за расчетный период; П — потери из-за погрешностей измерений за тот же период.
Точность измерений может считаться удовлетворительной если выполняется условие
где о — граница относительной погрешности измерений (без учета знака); б, — граница относительного значения допускаемого отклонения измеряемого параметра от номинального значения, либо относительное значение половины интервала допускаемых значений измеряемого параметра.
3.2. Измерение и физические величины
Измерением называют совокупность действий, выполняемых с помощью специальных средств, с целью нахождения численных значений измеряемой величины в принятых единицах измерения.
Целью измерения является получение значения физической величины, характеризующей контролируемый объект. Существует множество видов измерений (рис. 1.1).
С помощью измерения сопоставляют измеряемую величину с. единицей измерения, т. е. если имеется некоторая физическая величина Х, а принятая для нее единица измерения Щ, то значение физической величины определяется как
где q — числовое значение физической величины в приняты единицах измерения.
Данное уравнение называют основным уравнением измерений.
Например, за единицу измерения напряжения U электрического тока принят один вольт [1 В]. Тогда значение напряжения электрической сети U = q [U] = 220 [1 В] = 220 В, т. е. числовое значение напряжения 220.
Если за единицу напряжения U принят один киловольт [1 кВ], а 1 В = 10 кВ, то U = q [U] = 220 [10 ' кВ] = 0,22 кВ. Числовое значение напряжения будет 0,22.
Еще одно важное понятие — измерительное преобразование, под которым понимают установление однозначного соответствия между размерами двух величин: преобразуемой (входной) и преобразованной в результате измерения (выходной).
Множество размеров входной величины, которая преобразуется с помощью технического устройства, называют диапазоном преобразований.
В зависимости от видов физических величин измерительные преобразования делятся на три группы.
Первая группа представляет собой величины, которые определяют отношения: «слабее — сильнее», «мягче — тверже», «холоднее — теплее» и др. Такой величиной является, например, скорость ветра. Их называют отношениями порядка или отношениями эквивалентности.
Ко второй группе относятся величины, для которых отношения порядка определяются не только между значениями величин, но и их диапазоном, т. е. разностью значений крайних величин. Например, разность диапазона температур от плюс 5 до плюс 10 'С и разность диапазона температур от плюс 20 до плюс 25 'С равны. В данном случае отношение порядка величин плюс 25 'С теплее, чем плюс 10 'С, а отношение порядка разности крайних значений первых величин соответствует разности крайних значений вторых величин. В обоих случаях отношение порядка однозначно определяется с помощью измерительного преобразователя, например, жидкостного термометра, и температура может быть отнесена к измерительным преобразованиям.
Третья группа характеризуется тем, что с величинами возможно выполнение операций, подобных сложению и вычитанию (свойство активности). Например, такая физическая величина, как масса: два предмета каждый массой 0 5 кг, поставленные на одну чашу рычажных весов, на другой чаше уравновешиваются гирей массой 1 кг.
Измеряемая величина может быть независимой, зависимой и внешней.
Независимая величина изменяется только под действием исполнителя работ (например, угол открытия дроссельной заслонки карбюратора при испытании двигателя).
Зависимая величина — это величина, которая изменяется при изменении независимых переменных (например, скорость движения автомобиля при изменении угла открытия дроссельной заслонки карбюратора).
Внешняя величина — это величина, характеризующая влияние внешних факторов на результаты измерений при выполнении измерительных работ, но не контролируемая человеком, выполняющим эти измерения (например, скорость встречного ветра при определении скорости движения автомобиля).
Эталоном единицы величины называют средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения единицы величины и передачи ее размера другим средствам измерений данной величины.