55

Національний Технічний Університет України

"Київський політехнічний інститут"

Кафедра технічної кібернетики

Додатковий матеріал

з дисципліни «Основи метрології»

для підготовки бакалаврів за напрямом «Системна інженерія»

(Спеціальність «Гнучкі комп’ютеризовані системи та робототехніка»)

Рекомендовано

Кафедрою технічної кібернетики

Київ 2012

ВСТУП

Дисципліна ”Основи метрології” - один із основних курсів загальної інженерної підготовки за спеціальністю ”Гнучкі комп’ютеризовані системи та роботехніка”.

Мета курсу: набуття знань в царині понять метрології і вимірювань, пов’язаних з автоматизацією виробничих процесів і експериментальними дослідженнями.

Відповідно до Закону України від 11 лютого 1998 р.«Про метрологію та метрологічну діяльність» (набрав чинності з 01.01. 2005) -

Метрологія – це наука про вимірювання.

Її значущість визначається перед усім тим, що вимірювання є важливим універсальним методом пізнання фізичних явищ і процесів.

За допомогою вимірювань в науці здійснюється зв’язок функціонування теорії і експериментів. В технічному аспекті значущість вимірювання визначається тим, що вимірювання кількісної та якісної інформації про об’єкт управління та контролю, без якого неможливе точне відтворення всіх заданих умов технологічного процесу, забезпечення високої якості виробів і високоефективного управління об’єктами. Метрологія і вимірювання дійсно поєднані з стандартизацією, яка визначає принципи й методи встановлення норм і правил взаємодії елементарного суспільного виробництва з точки зору їх суміщення, уніфікації, раціонального упорядкування. Засобами реалізації стандартизації є стандарти.

Стандарти – це технічні закони, що встановлюють певні вимоги до матеріалів, напівфабрикатів, виробам, технологічним процесам, станам, технологічної і програмної документації, методам виробництва і т.п.

За допомогою стандартизації забезпечується узгодження норм на всі елементи сучасного виробництва і вимоги до них, а метрологія і вимірювання забезпечують методи і засоби контролю виконання стандартів.

Лекційний курс метрології та вимірювання має три розділи:

I розділ – основні поняття метрології,

II розділ – вимірювання електричних величин,

III розділ – вимірювання неелектричних величин.

Рекомендована література:

1. Закон України від 11 лютого 1998 р. «Про метрологію та метрологічну діяльність».

2. Державний стандарт України. Метрологія. Терміни та визначення. ДСТУ 2681-94.

3. Орнатський П.П. Вступ до метрології, науки про вимірювання, навчальний посібник, К.: ІДСО, 1994.

4. Орнатский П.П. Теоретические основы информационных измерений техники, навч. посібник, К.: Вища школа, 1976.

5. Дубровний В.А., Жабокрицкий Е.И., Трегуб В.Г., Холодовский Б.А. Справочник по наладке автоматических устройств контроля и регулирования. Часть 1. - К.: „Наукова думка", 1981. - 464с.

6. Гаврилюк М.А., Полищук Е.С., Обозовский С.С. и др. Электрические измерения злектрических и незлектрических величин/ Под ред. Е.С. Полищука. - К.: „Вища школа", 1984. - 359с.

7. Цюцюра С.В., Цюцюра В.Д. Метрологія, основи вимірювань, стандартизація та сертифікація: Навчальний посібник. – К.: Знання, 2005. – 242 с.

8. Основы автоматизации измерений/ Под ред. В.Б. Коркина. – М.: «Издательство стандартов», 1991. – 256 с.

9. Брянский Л.Н., Левин М.М., Розенберг В.Я. Радиоизмерения. Методы. Средства. Погрешности. – М.: Издательство комитета стандартов, мер и измерительных приборов при Совете Министров СССР, 1970. – 336 с.

10. Сергеев А.Г., Латышев М.В., Терегеря В.В. Метрология, стандартизация, сертификация: Учебное пособие.- М.: Логос, 2003. – 536 с.

11. Метрология и радиоизмерения: Учебник для вузов/ Под ред. В.И.Нефедова. – М: Высшая школа, 2003. – 526 с.

Розділ 1. Основні поняття метрології

Метрологія ­- це наука про вимірювання, а вимірювання є одним з найважливіших шляхів пізнання навколишнього світу. Вони відіграють величезну роль в сучасному суспільстві – наука, промисловість, економіка, комунікації тощо не можуть існувати без вимірювань. Щомиті у світі виконуються мільярди вимірювальних операцій, результати яких використовуються для забезпечення якості та належного технічного рівня продукції, що виробляється, безпечної та безаварійної роботи транспорту, обґрунтування медичних та екологічних діагнозів, аналізу інформаційних потоків. Практично немає жодної сфери діяльності людини, де б інтенсивно не використовувалися результати вимірювань, випробувань та контролю. Для їх отримання залучені мільйони людей та величезні фінансові кошти: приблизно 15% витрат суспільної праці пов’язані з виконанням вимірювань. За оцінками експертів від 3 до 9 відсотків валового національного продукту передових індустріальних країн припадає на вимірювання та пов’язані з ними операції.

На сучасному етапі розвитку світового співтовариства, який характеризується високими темпами інтенсифікації виробництва, використанням взаємопов’язаних систем машин і приладів, широкої номенклатури сполук і матеріалів, застосування гнучких засобів автоматизації виробництва конкурентоспроможної продукції тощо значно підвищилися вимоги до підготовки спеціалістів з питань метрології, стандартизації та сертифікації.

1. Терміни та визначення

Метрологія - наука про вимірювання.

Фізична величина - властивість спільна у якісному відношенні у багатьох матеріальних об’єктів та індивідуальна в кількісному відношенні у кожного з них.

Вимірювана величина – фізична величина чи параметри її залежності, що підлягають вимірюванню.

Термін параметр походить від грецького слова „вимірюю, співвідношу” і як фізична величина відображає властивості об’єкта. Параметри можуть бути як поодинокими, так і комплексними показниками властивостей об’єкта, тобто можуть об’єднувати кілька фізичних величин, що характеризують, наприклад, якість виготовлення продукції, стан працездатності або безпеки об’єкта, його відповідність певним технічним вимогам тощо.

Об’єкт вимірювання – матеріальний об’єкт, одна або декілька властивостей якого підлягають вимірюванню.

Об’єктами вимірювання можуть бути фізичні величини або ж параметри технологічних процесів, наприклад, температура, час, тиск, рівень, витрата, густина, концентрація, лінійні розміри, параметри руху тощо.

Вимірювання – відображення вимірюваних величин їх значеннями шляхом експерименту та обчислень за допомогою спеціальних технічних засобів.

Тобто - це сукупність дій, що виконуються за допомогою засобів вимірювання з метою знаходження числового значення даної величини, яке виражається в прийнятих одиницях.

Точність вимірюваня – головна характеристика якості вимірювання, що відображає близькість результату вимірювання до істинного значення вимірювальної величини.

Правильність вимірювання – характеристика якості вимірювання, що відображає близькість до нуля систематичної похибки вимірювання.

Методика виконання вимірювань - сукупність процедур і правил,виконання яких забезпечує одержання результатів вимірювань з гарантованою точністю.

Засіб вимірювальної техніки – технічний засіб, який застосовується під час вимірювань і має нормовані метрологічні характеристики.

До засобів вимірювальної техніки відносяться засоби вимірювань та вимірювальні пристрої.

Засіб вимірювань - засіб вимірювальної техніки, який реалізує процедуру вимірювань.

До засобів вимірювань відносять:

• кодові засоби вимірювань;

• реєструвальні засоби вимірювань;

• вимірювальні прилади;

• вимірювальні канали;

• вимірювальні системи.

Засіб вимірювань реалізує в ідеальному випадку лінійну залежність між значеннями вимірювальної величини та її відповідними розмірами.

Вимірювальний пристрій – засіб вимірювальної техніки, в якому виконується лише одна зі складових частин процедури вимірювань (вимірювальна операція).

До вимірювальних пристроїв відносять:

• міри;

• компаратори;

• вимірювальні перетворювачі;

• масштабні перетворювачі;

• обчислювальні компоненти засобів вимірювання.

Компаратор - вимірювальний пристрій, що реалізує порівняння однорідних фізичних величин.

Вимірювальний перетворювач – вимірювальний пристрій, що реалізує вимірювальне перетворення.

Вимірювальний перетворювач здійснює вироблення сигналу вимірювальної інформації у формі:

- зручній для передавання, подальшого перетворення, обробки та(або) збереження;

- що не дозволяє здійснювати безпосереднє сприймання цього сигналу спостерігачем.

Вимірювальний прилад – засіб вимірювань, в якому створюється візуальний сигнал вимірювальної інформації.

Одиниця вимірювання – фізична величина певного розміру, прийнята для кількісного відображення однорідних з нею величин.

Міра фізичної величини – вимірювальний пристрій, що реалізує відтворення та (або) збереження фізичної величини заданого значення.

Еталон – засіб вимірювальної техніки, що забезпечує відтворення та/або зберігання одиниці вимірювання одного чи декількох значень, а також передачу розміру цієї одиниці іншим засобам вимірювальної техніки.

Державний еталон – еталон, визнаний спеціально уповноваженим центральним органом виконавчої влади у сфері метрології як основа для встановлення значень усіх еталонів даної одиниці вимірювання, що є у державі.

Первинний еталон - еталон, який забезпечує відтворення одиниці вимірювання з найвищою у державі (порівняно з іншими еталонами тієї ж одиниці) точністю.

Вторинний еталон – еталон, який отримує розмір одиниці вимірювання безпосередньо від первинного еталона даної одиниці або, у разі його відсутності, - відповідного еталона іншої держави.

Вихідний еталон – еталон, який має найвищі метрологічні властивості серед еталонів даної одиниці, що є у державі, на підприємстві, в установі чи організації.

Робочий еталон – еталон, призначений для повірки чи калібрування засобів вимірювальної техніки.

Нормативний документ з метрології – документ, який встановлює правила, положення, інші вимоги чи норми, що стосуються метрології та метрологічної діяльності.

Державна метрологічна система - сукупність законодавчих та інших нормативно-правових актів, організаційної структури, наукової, технічної та нормативної бази з метрології, спрямованих на забезпечення єдності вимірювань у державі.

Повірка засобів вимірювальної техніки - встановлення придатності засобів вимірювальної техніки, на які поширюється державний метрологічний нагляд, до застосування на підставі результатів контролю їх метрологічних характеристик.

Єдність вимірювань – стан вимірювань, за якого їх результати виражаються в узаконених одиницях і похибки вимірювань відомі із заданою ймовірністю.

Забезпечення єдності вимірювань (метрологічна діяльність) – діяльність, яка спрямована на досягнення і підтримку єдності вимірювань.

Таким чином, одним з головних завдань метрології є забезпечення єдності і необхідної точності вимірювань у державі, зокрема, на виробництві, у наукових установах, на підприємствах і організаціях технічного, технологічного, екологічного контролю та моніторингу.

У більшості держав світу заходи щодо забезпечення єдності і необхідної точності вимірювань установлюються (закріплюються) законодавчо: шляхом ухвалення одиниць вимірювань, регулярних повірок технічних, зразкових та еталонних засобів, випробування нових засобів вимірювання, підготовки кадрів для цієї галузі тощо.

Законодавча метрологія – частина метрології, що містить законодавчі акти, правила, вимоги та норми, які регламентуються і контролюються державою для забезпечення єдності вимірювань.

Законодавча метрологія вивчає комплекс взаємопов’язаних загальних правил, вимог і норм експлуатації засобів вимірювання, їх повірку, обслуговування, виготовлення та зберігання, а також інші завдання, які контролюються і регламентуються державою з метою забезпечення єдності вимірювань і одноманітності засобів вимірювань.

Основні визначення і поняття у метрології закріплені законодавчо, що обумовлює єдиний підхід до визначення змісту її основних наукових положень і визначень (ДСТУ 2681-94).