Никитин В.А., Бойко С.В. Методы и средства измерений, испытаний и контроля

Подождите немного. Документ загружается.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Оренбургский государственный университет»

Кафедра метрологии стандартизации и сертификации

В.А. НИКИТИН

С.В. БОЙКО

«МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ,

ИСПЫТАНИЙ И КОНТРОЛЯ»

Издание второе, переработанное и дополненное

Рекомендовано УМО вузов по университетскому политехническому

образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных

заведений

Оренбург 2004

УДК 389 (075.8)

ББК 30.10я7

Н-62

Рецензенты

Заведующий кафедрой метрологии и систем качества Пензенского

государственного университета доктор технических наук, профессор

Г.П. Шлыков, заведующий кафедрой производства летательных

аппаратов и управления качеством Самарского государственного

аэрокосмического университета член корреспондент РАН, доктор

технических наук, профессор В.А. Барвинок

Никитин В.А., Бойко С.В.

Н-62 Методы и средства измерений, испытаний и контроля:

Учебное пособие - 2-е изд. перераб. и доп.- Оренбург ГОУ ОГУ, 2004. -

462 с.

ISBN 5-7410-0692-2

В учебнике описаны основные методы измерений и средства

измерений, испытаний и контроля. Изложены ключевые понятия и

математические модели элементов измерительного процесса. Подробно

рассмотрены методы и алгоритмы расчета характеристик погрешностей

многократных и однократных измерений.

Для студентов вузов специальности метрология, стандартизация и

сертификация пищевых производств и услуг, связанных с пищевыми

продуктами и сырьем для пищевого производства.

ББК 30.10я7

0196

2004010000

−

©ИПК ГОУ ОГУ , 2004

ISBN 5-7410-0692-2

Предисловие ко второму изданию

В процессе производственной и познавательной деятельности

человеческого общества возникает множество практических и теоретических

задач, для решения которых необходимо располагать количественной

информацией о том или ином свойстве объекта материального мира (процесса,

вещества, детали машины, явления природы и т.д.). Основным способом

получения той или иной информации являются измерения, при реализации

которой необходимо применить определенные правила, чтобы получить

результат измерения с большей или меньшей точностью, отражающие свойства

объекта или показатели его качества. Такая информация называется

измерительной информацией.

Студенты инженерных специальностей ВУЗов, начиная с начальных

курсов, работают в лабораториях по измерениям профилирующих знаний

специальных кафедр. Лабораторные работы по измерениям дают

практическую возможность тщательно изучить сущность теоретических основ

измерения, методов измерения и конструкции различных средств измерения.

Результаты любых измерений неизбежно содержат неточности –

неопределенности типа А и Б (погрешности), как бы тщательно и на каком бы

высоком уровне они не выполнялись. Известно, что абсолютно точных

измерений не существуют принципиально, так как даже эталоны

государственной важности имеют вышеуказанные неопределенности типа А и

Б. Именно поэтому успешное усвоение теоретического материала в ходе

лабораторных работ, усвоение методов и средств измерений, методов и средств

испытаний, методов и средств контроля, приобретение в этом процессе

практических навыков, предполагает также прочное усвоение современных

методов математической обработки результатов измерений через анализ

объектов измерения, выбора средства измерения, испытания или контроля,

анализа и оценивания неопределенностей типа А и Б (погрешностей).

Подготавливаясь к будущей самостоятельной работе по профилю своей

специальности, студенты постепенно понимают, что сегодня измерения

пронизывают все сферы человеческой деятельности. С измерениями связана

деятельность инженера-конструктора, инженера-технолога, инженера-

контролера, инженера-испытателя, инженера-исследователя и инженера-

производственника. Все эти специалисты обязаны иметь ясное представление о

возможностях и оснащенности производства измерительной техникой, чтобы

обеспечить взаимозаменяемость деталей и узлов, контролепригодность

разрабатываемого изделия и качество его изготовления по всем переделам и

операциям на всех стадиях его жизненного цикла. Измерительная информация

является основой для принятия технических и управленческих решений при

производстве и испытаниях продукции, оценивании ее технического уровня,

аттестации и сертификации качества. И, конечно, знание современных правил,

законов РФ, норм и регламентов в области измерений является обязательной

функцией для специалистов управления и организации производства.

Результат измерения имеет серьезное значение лишь при условии, что

он сопровождается оценкой неопределенности типа А и Б (погрешности)

измерения, либо дополняется сведениями, которые позволяют пользователю

информации измерения оценить точность измерения самостоятельно. Кроме

того, важно не только уметь выполнить измерение и оценить погрешность

результата, но и так подобрать средство измерения, спланировать и

осуществить процедуру измерения, чтобы была обеспечена требуемая точность

или, по крайней мере, была сведена к минимуму погрешность. В этих условиях

нужен единый научный и законодательный фундамент, который осуществляет

на практике высокое качество измерений, независимо от того, где и с какой

целью они производятся. Таким фундаментом является дисциплина прикладной

метрологии – «Методы и средства измерений, испытаний и контроля».

В первой части учебника излагаются основные методы измерений,

усвоение которых позволяют студенту осознанно подойти к изучению средств

измерений распространенных величин. Во второй части учебника изложены

средства измерений, испытаний и контроля и отличительные особенности

измерений от испытаний и контрольных операций.

Изучение учебника требует от студентов знаний основ математики,

особенно теории вероятностей, в объеме, который предлагается студентам

технических специальностей.

Оба автора разделяют ответственность за содержание всего материала

учебника. Помощь коллег дала возможность привести учебник к настоящему

виду. Хочется выразить им сердечную благодарность. Авторы считают своим

приятным долгом выразить искреннюю признательность и благодарность

коллективу кафедры «Производство летательных аппаратов и управления

качества» Самарского государственного аэрокосмического университета

(заведующему кафедрой члену корреспонденту РАН, доктору технических

наук, профессору Барвинок В.А.) и коллективу кафедры «Метрология и

системы качества» Пензенского государственного технического университета

(заведующему кафедрой доктору технических наук, профессору Шлыкову

Г.П.), взявшим на себя труд по рецензированию рукописи и сделавшим особый

ряд ценных замечаний, способствовавших улучшению содержания учебника.

Введение

Современный этап развития человечества характеризуется огромным

потоком информации, циркулирующей во всех сферах его деятельности. Если в

середине 19-го века увеличение объема информации за 50 лет происходило

вдвое, то в 20-м веке, до 80-х годов, его удвоение происходило примерно за 20

лет. После 80-х этот показатель стал меняться в течение 3-4-х лет, а в 21 веке

это удвоение происходит так стремительно, что такие сроки назвать будет

некорректно, так как информационный поток просто огромен во всех отраслях

жизненного цикла человечества! Поэтому 21 век назван веком информации.

В процессе различной деятельности людей, индивидуально каждого

человека и во взаимодействии сообщества возникает множество задач, для

решения которых необходимо иметь достаточное количество и качество

информации о том или ином свойстве объектов материального мира (явления,

процесса, вещества, параметра продукции, детали или машины в целом и т.д.).

Одним из главных способов получения информации – измерения и

методы измерений. Информация о свойствах и качественных характеристиках

объектов, полученных с помощью измерений, называется ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ

ИНФОРМАЦИЕЙ. Студенты инженерных специальностей высших учебных

заведений, начиная занятия с первого семестра, из школьного багажа знаний,

знают, что такое размерность и единицы измерений, но на элементарном

уровне.

Результат любого измерения заслуживает внимания лишь при условии,

что он имеет оценку погрешности измерения, либо информацию оценки

точности измерения самостоятельно. Курс «Методы и средства измерений,

испытания и контроля» читается после освоения студентами курса

«Теоретическая метрология» и поэтому нет необходимости повторять главные

сведения и формулировка из метрологии. Однако есть один момент, о котором

необходимо поговорить, исходя из последних событий в мире, о практической

метрологии и ее прикладных учебных дисциплин, к которым и относится курс

«Методы и средства измерений, испытаний и контроля». Речь идет о замене

термина «погрешность измерений» на «неопределенность измерений» в

практике производственной и общественной жизни Российской Федерации.

Полемика в МОЗМе и в ГОССТАНДАРТЕ РФ еще идет, но в перспективе уже

ясно, что студенты все отчетливее должны привыкать к терминам

«неопределенность измерений», если мы хотим быть на уровне

взаимопонимания с зарубежными странами, с требованиями международного

рынка и культурными связями с народами мира.

1 Предмет, задачи и содержание дисциплины

Что такое - «Теория Постановки Задачи»? Любая задача может быть

разложена на две составляющие: внутреннюю задачу и внешнюю задачу.

Решать задачу приходится на уровне как внешней, так и внутренней. Обычно

ученые говорят: «Вопрос решается на уровне внешней задачи, или на уровне

внутренней задачи» Что это значит? В условие задачи постановщик ее

включает необходимое и достаточное количество исходных данных и

оговаривает их условия значимости по граничным параметрам их стабильности

или не стационарности, переменные или постоянные их величины и т.д. Из

физики, математики это Вам должно быть известно, но все-таки так это или не

так, а методы и средства измерений, испытаний и контроля требуют

педантичную, беспощадную, жесткость подхода к постановке и, разумеется, к

решению задачи. Если Вы решаете задачу и безукоризненно выполняете все

условия границ, без допущений, применяете аналитику или приближенные

методы расчетов в пределах условий, то считается, что Вы решаете ее на

уровне внутренней задачи. Если Вы выходите за рамки допущений и

граничных условий, а применяете известные закономерности в науке,

действующие в пределах заранее оговоренных граничных условий, то Вы

выходите из внутренней задачи и внедряетесь в уровень внешней задачи. Тем

самым Вы перед собой, вольно или не вольно, ставите задачу переходных

процессов стационарных или случайных нестационарных событий, не

подозревая о трудностях получить достоверный результат, впадаете в

заведомую ловушку. Поэтому, выходя во внешнюю задачу надо осознанно это

знать и помнить, что занимаетесь научным экспериментом, а оправдано ли это

с точки зрения экономики, это уже другой вопрос.

О литературе! Можно читать все типы и виды литературы и поднимать

уровень своей культуры, интеллект и т.д., но есть Законы и НТД, знание

которых не только повышают уровень культуры, а являются гражданской и

должностной обязанностью, иногда тесно связанной с уголовной

ответственностью. Поэтому у метрологов обычно говорят, что литературу

читай, а законы и государственные стандарты исполняй!

На страницах журнала «Законодательная метрология» №2 за 1995 год в

статье г. В.А. Брюханова, Н.П. Мифа открыта рубрика обсуждения Закона РФ

«Об обеспечении единства измерений» в статье «ГСИ. Методики выполнения

измерений» - важное мероприятие для реализации закона РФ «Об обеспечении

единства измерений» с 9-12, не обсудить сущности, которой мне кажется

нельзя. Хотя эта статья не закончена, а продолжается в №4 за 1995 год в статье

В.А. Брюханова «Региональные семинары по реализации закона Российской

Федерации «Об обеспечении единства измерений» с 15-19, уже сейчас ясно, что

авторы затрагивают вопиющие вопросы повседневной жизни нашего общества

во взаимосвязях с обществами зарубежных стран со всеми проблемами

терминологии. Известна истина, если хочешь, чтобы был понят другими, то

говори на общепонятном языке и применяй взаимосогласованную

терминологию. Настоятельно рекомендуем всем Вам постоянно просматривать

журнал «Законодательная метрология» и читать все то, что западет в «душу»,

уверен в успехах Вашего последующего «реноме».

«МЕТОДЫ» - что это такое? Необходимо обратиться к

межгосударственному стандарту РМГ 29-99 «Рекомендации по

межгосударственной стандартизации. Метрология. Основные термины и

определения», который был принят взамен ГОСТ 16263-70.

Таким образом действует РМГ 29 – 99, а так как ГОСТ 16263 - 70

отменен, то применять его нельзя, однако мы еще долго будем прибегать к

нему, с точки зрения познавательной направленности недавних споров,

применяемости в старой литературе со ссылками на него.

Метод - это алгоритм, порядок элементарных операций действия или

изложения сути проблемы в последовательном по логике физических законов

природы в порядке следования друг за другом. Этому соответствует все

многообразие жизни, мы продолжаем его изучать и видоизменять в процессе

познания. Далее уже начинается философия! «Метод измерения - совокупность

приемов использования принципов и средств измерений»- определение из

стандарта ГОСТ 16263-70. Согласно РМГ 29-99, «Метод измерения – прием

или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее

единицей в соответствии с реализованным принципом измерений».

Чтобы изучать эти методы и средства измерений, испытаний и контроля,

необходимо, прежде всего, определиться о том, что является первоосновой

метрологии! Мы обязательно должны начать с Закона РФ «Об обеспечении

единства измерений». Обсуждение любых проблем, связанных с единством

измерений, целесообразно начинать с упоминания основных метрологических

истин или, если, осторожно выражаясь, с утверждений, которые на

сегодняшний день нам представляются как истины (известно, что все в мире

носит относительный характер, сегодня истина, а завтра ее заменяет другая

истина!»), приводим их в редакции Брюханова В.А. –журнал «Законодательная

метрология» №2 за 1998 год в статье «Единство измерений: прекрасная мечта,

суровая реальность и оптимистический финал», часть 1-я, с 43-49 и

продолжение в № 4 за 1998 год – часть 2-я, с 6-12.

1.1 Метрологические истины

Истина первая. Погрешность измерений - отклонение результата

измерения от истинного (действительного) значения измеряемой величины /2/.

Истинные значения измеряемых величин идеальным образом отражают, как

отмечается в работе «Основы метрологии» Бурдун Г.Д., Марков Б.Н. о понятии

- физических величин, свойства данного объекта, как в количественном, так и в

качественном отношении. Они не зависят от средств нашего познания, от

устройства государственного строя, деятельности президента и т.д., а являются

той «абсолютной истиной», к которой мы стремимся, и познать которую нам

так, и не дано. Вот почему мы в нашей жизни вместо истинных значений

величин оперируем действительными значениями. Под действительными

значениями физических величин принято понимать их значения, найденные

экспериментом и настолько приближенные к истинным, что для конкретной

цели они могут быть достаточно использованы вместо истинных. Вопросы о

необходимой степени приближения являются самыми трудными вопросами

теории в метрологии, а курса нашего они касаются чисто факультативно,

поэтому нам остается Вас адресовать к дисциплине - «теоретическая

метрология», где эти вопросы будут изучаться подробно.

Истина вторая. Все наши сведения о погрешностях измерений носят

заведомо приближенный характер, так как истинные значения физических

величин необходимо называть действительными значениями величин. Поэтому

принято говорить об оценивании погрешности измерений как о процедуре

действий в процессе измерений, об оценках погрешности измерений как о

результатах этих действий.

Истина третья. Погрешность измерения есть объективное и неизбежное

ЗЛО. Что это значит? Это означает то, что из-за погрешности измерений

страдают простые люди любой страны, страдают организации, предприятия,

экономика страны, экология нашей жизни и иногда даже существующий

правопорядок в стране! Обвесы в магазине при покупках продукции! Ошибки

первого и второго рода из-за погрешности измерений при контроле измерений!

Экологические неточности и погрешности в измерениях вредных выбросов в

атмосферу ставят под удар безопасность жизни человечества на земле! Эти

примеры можно перечислять бесконечно.

Истина четвертая. Знание погрешности является в то же время не

только злом, но и благом.

Мы можем, на основании знаний погрешности:

- разумным образом выбирать средства измерений и методики

выполнения измерений для решения огромного круга

измерительных задач;

- сопоставлять СИ и МВИ по важнейшему критерию - точности

измерений;

- сопоставлять результаты измерений, полученные в разных условиях,

с помощью различных методов и СИ;

- оценивать достоверность результатов измерений с испытаниями и

контролем продукции при оценке ее качества и т.д.

Истина пятая.

Обязательным условием знания погрешности измерений

является наличие эталонов единиц тех величин, которые измеряются. Под

эталоном единицы величины понимается СИ или комплекс СИ,

предназначенных для воспроизведения и хранения единицы и передачи ее

размера нижестоящим по поверочной схеме СИ. Одной из центральных статей

Закона РФ «Об обеспечении единства измерений» является статья 9, гласящая,

что измерения должны выполняться в соответствии с аттестованными в

установленном порядке методиками. Для выполнения этого требования был

создан ГОСТ Р 8.563 -96 «ГСИ. Методики выполнения измерений». Под

действие этого стандарта подпадает огромный массив измерительных

процедур, для которых погрешность результата измерений не сводится к

погрешности применяемого средства измерений, а еще и к погрешности

измерений параметров изделий производства. Дело в том, что СИ не создаются

сами для себя. Они существуют для обслуживания жизнедеятельности

общества во всевозможных областях жизненного цикла последнего. Поэтому

мы вынуждены кратко остановиться на вопросе о том, что тотальное внедрение

МВИ в жизнь обращения СИ и методов их использования в сферах

деятельности Российской Федерации в текущем моменте жизни будет крайне

противоречивым. В процессе разработки МВИ и их согласования для

производств, в ходе аттестации, метрологического контроля и надзора, будут

возникать конфликтные ситуации между региональными ЦСМ, Госстандартом

Российской Федерации и конкретными организациями Российской Федерации,

организующими какую либо измерительную практику. Например, в области

испытаний и контроля пищевой продукции и продовольственного сырья, в

среднем только каждый пятый стандарт «дотягивает» в настоящее время до

требования обеспечения единства измерений, т.е. Закона и стандарта на МВИ!

Таким образом, для многих процедур испытаний и контроля качества

продукции питания и сырья вопрос достоверности результатов измерений,

испытаний и контроля фактически остается открытым, и, следовательно,

применение стандартов, регламентирующих испытательные процедуры и не

соответствующих требованию обеспечения единства измерений, не позволяет

гарантировать достижение цели, сформулированной в Законе, т.е. защиту прав

и законных интересов граждан Российской Федерации от отрицательных

последствий недостоверных результатов измерений. Вот, что значит МВИ и

ГОСТ Р 8.563-96! Чтобы не затрагивать проблем других предметов, мы

ограничимся сказанным и перейдем к определению понятий процедур

измерений.

2 Классификация измерений (Виды измерений)

Все измерения подразделяются на прямые измерения и косвенные

измерения. Прямые измерения - измерения, при котором искомое значение

физической величины получают непосредственно. Например, измерение массы

на весах, температуры ртутным или спиртовым термометром, геометрических

измерений с помощью линейно-угловых СИ и т.д.

Косвенные измерения - определение искомого значения физической

величины на основании результатов прямых измерений других физических

величин, функционально связанных с искомой величиной. Например,

нахождение температуры по реакции термоЭДС в термопаре, удельного

электросопротивления проводника по его сопротивлению, длине и площади

поперечного сечения и т.д.

Из прямых и косвенных измерений вытекают понятия:

- совокупные измерения - проводимые одновременно измерения

нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин

определяют путем решения системы уравнений, получаемых при измерениях

этих величин в различных сочетаниях. Например, измерение массы отдельных

гирь сравнением масс сочетания гирь;

- совместные измерения - проводимые одновременно измерения

двух или нескольких неодноименных величин для определения зависимости

между ними. Например, измерение, при которых электросопротивление при

Т=20

С и температурные коэффициенты измерительного резистора находят по

данным прямых измерений его сопротивления при различных температурах;

- абсолютное измерение - измерение, основанное на прямых

измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании

значений физических констант;

- относительное измерение - измерение отношения величины к

одноименной величине, играющей роль единицы, или измерение изменения

величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную;

- принцип измерения - физическое явление или эффект, положенное

в основу измерения. Основывается на известных законах физики и химии;

- методы измерения – прием или совокупность приемов сравнения

измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с

использованным принципом измерений;

- средство измерения - техническое средство, предназначенное для

измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики,

воспроизводящие и (или) хранящие единицу физической величины, размер

которой принимают неизменным (в условиях установленной погрешности) в

течение известного интервала времени;

- мера - средство измерения, предназначенное для воспроизведения и

(или) хранения физической величины одного или нескольких заданных

размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с

необходимой точностью. Например, однозначная мера - гири, многозначная