Туяхов И.А. Практическая метрология

Подождите немного. Документ загружается.

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

- у единиц мужского рода, оканчивающихся на мягкий соглас-

ный звук (джоуль, паскаль, беккерель, моль) на "ей" (трех

джоулей, пяти паскалей, двух беккерелей, десяти молей),

- у единиц мужского рода, оканчивающихся на твердый со-

гласный звук (ампер, ват, вебер, вольт, герц, гон, грэй, деци-

бел, карат, кельвин, киловатт кулон, люкс, люмен, метр, нью-

тон, ом, парсек, радиан, стерадиан, фарад, электрон-вольт),

как правило, нулевые, т. е. десять ампер, пять кулон, трех фа-

рад и т. д.

Исключение составляют наименование единиц мужского рода,

оканчивающиеся на твердый звук и имеющие нетерминологические

бытовые соответствия. Они применяются с окончанием "-ов": метр -

метров, литр - литров, оборот в секунду - оборотов в секунду, узел -

узлов, час - часов, грамм - граммов.

Наименование кратных и дольных единиц образуются путем

присоединения приставок к наименованиям исходных единиц (при-

ставка пишется слитно). Например, микрометр, пикофарад. Так как

основная единица массы в СИ - килограмм - содержит приставку "ки-

ло", остальные приставки присоединяются к единице "грамм". Напри-

мер: милиграмм.

Большинство единиц обозначаются буквами, но ряд единиц обо-

значаются специальными знаками (°- градус, ‘ - минута, “- секунда, %

- процент,

- промиле). Буквенные обозначения применяют двух

видов - международное (с использование букв латинского и греческо-

го алфавитов) и русское (с использованием букв русского алфавита).

Все буквенные обозначения единиц печатают прямым шрифтом.

Обозначения единиц, образованных по фамилиям ученых, печа-

тают с прописной буквы (220В, 5мВ, 3кВ и т. д.). После буквенного

обозначения точка, как правило, не ставится (5мм, 15мкВ, 101кПа, 2с,

12ч), за исключением сокращений слов, входящие в наименование

единицы (760 мм рт. ст. и др.)

Обозначения единиц помещают в одной строке с числовым зна-

чением величины, не отрывая от него (не перенося на другую сторо-

ну), но оставляя пробел между числом и обозначением (5 нс, 10 пФ,

12В, 99%). Пробел не оставляют при обозначениях единицы в виде

знаков, поднятых над строкой (...°, …’, …”), например, 5° 15’30”.

Буквенные обозначение единиц, образующих произведение, раз-

деляют точкой на средней линии строки (Па⋅с, Ом⋅м). В машинопис-

ных текстах допускается ставить точку на нижней линии (Па.с, Ом.м).

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

Для отношений единиц в буквенных обозначениях применяют

только одну косую или горизонтальную черту. Например, м/с, кг/м

Произведение в знаменателе помещают в круглые скобки. Например,

Вт/(кг⋅К), моль/(с⋅м

Не допускается комбинирование наименования и обозначения

единиц. Следует писать: 11км/с или 11 километров в секунду. При

указании значений величин с предельными отношениями числовое

значение величины и отклонение берут в скобки, а обозначение еди-

ницы выносят за скобки или обозначение единицы проставляют после

значения величины и предельного отклонения. Например: надо писать

(220 ± 22)В или 220 ± 22 В.

Нельзя в текстах давать обозначение единицы без указания чи-

слового значения величины. Например, будет неверным выражение:

вычисления ведутся в %. Правильно: вычисления ведутся в процентах.

В заголовках граф и наименованиях строк таблиц допускается обозна-

чение единиц без указания числового значения величины.

1.5 Классификация средств измерений

По функциональному назначению средства измерения делят на

следующие группы:

- меры;

- измерительные преобразователи;

- измерительные приборы;

- измерительные информационные системы и измерительные ус-

тановки.

Под мерой понимают средство измерений, предназначенное для

воспроизведения физической величины заданного размера. Например,

гиря есть мера массы; температурная лампа - мера яркостной или цве-

товой температуры и др.

Измерительный преобразователь - средство измерения, предна-

значенное для выработки сигнала измерительной информации в фор-

ме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и

(или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию

наблюдателем. Измерительный преобразователь, к которому подво-

дится измеряемся величина, называют первичным измерительным

преобразователем. В качестве примера можно привести термоэлек-

трический термометр (термопара), термометр сопротивления, сужаю-

щее устройство расходомера. Измерительный преобразователь, пред-

назначенный для изменения размера величины в заданное число раз,

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

называют масштабным измерительным преобразователем. Напри-

мер: делитель напряжения, измерительный трансформатор тока, изме-

рительный усилитель.

В зависимости от рода измеряемой величины на входе измери-

тельные преобразователи делят на преобразователи электрических,

пневматических и других величин.

Измерительные преобразователи в зависимости от вида входного

и выходного сигналов делят на:

- аналоговые измерительные преобразователи, у которых на вхо-

де и на выходе аналоговые сигналы;

- аналого-цифровые измерительные преобразователи, имеющие

на входе аналоговый сигнал, а на выходе декодированный цифровой

сигнал;

- цифро-аналоговые измерительные преобразователи, у которых

на входе числовой кодированный сигнал, а на выходе аналоговый

сигнал.

Первичные измерительные преобразователи, расположенные не-

посредственно на объекте (в трубопроводе, в кладке печи, в резервуа-

ре, в реакторе, в дымоотводящих трактах и т. д.) и удаленные от места

обработки измерительной информации, называют иногда датчиками

(датчик температуры, давления и т.д.).

Измерительным прибором называют средство измерений, пред-

назначенное для выработки сигнала измерительной информации в

форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем,

например, в виде цифрового отсчета на отсчетном устройстве. Изме-

рительный прибор, показания которого являются непрерывной функ-

цией изменений измеряемой величины, называют аналоговым изме-

рительным прибором. Например, милливольтметр или потенциометр

для измерения температуры с отсчетным устройством в виде стрелки

и шкалы - аналоговый прибор.

Измерительный прибор, автоматически вырабатывающий дис-

кретный (кодированный) сигнал измерительной информации и даю-

щий показания в цифровой форме, называют цифровым измеритель-

ным прибором (цифровой термометр, цифровой вольтметр и др.).

В зависимости от вида представляемой информации об измеряе-

мой величине измерительные приборы разделяются на:

- показывающие: измерительный прибор, допускающий только

отсчитывание показаний значений измеряемой величины. Например,

показывающий милливольтметр, жидкостный термометр и др.

- регистрирующие: измерительный прибор, в котором преду-

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

смотрена регистрация (запись) показаний (барограф, потенциометр,

расходомер и др.).

- суммирующие: измерительный прибор, осуществляющий сумму

двух или нескольких величин, подводимых к нему по различным ка-

налам (ваттметр для измерения суммы мощности нескольких электри-

ческих генераторов, водомер, расходомер и др.).

- интегрирующие: измерительный прибор, в котором значение

измеряемой величины определяется путем ее интегрирования по дру-

гой величине (электрический счетчик электроэнергии, тепломер, во-

домерный счетчик и др.).

На крупных объектах (котлы тепловых электростанций, домен-

ные печи и др.), когда необходимо измерять большое число физиче-

ских величин, производить обработку измерительной информации,

воздействовать на объект и т. д., применяют измерительные инфор-

мационные системы.

Измерительная информационная система - это совокупность

функционально объединенных измерительных приборов, измеритель-

ных преобразователей, ЭВМ и других вспомогательных технических

средств, размещенных в разных точках контролируемого пространст-

ва (среды, объекта и т. п.) с целью измерения одной или нескольких

физических величин, свойственных этому пространству. В зависимо-

сти от назначения измерительные системы разделяют на информаци-

онные, контролирующие и управляющие системы

1.6 Общие понятия об эталонах

Для обеспечения единства измерений необходима тождествен-

ность единиц, в которых проградуированы все средства измерений

одной и той же физической величины. Это достигается путем точного

воспроизведения и хранения установленных единиц физических вели-

чин и передачи их размеров применяемым средствам измерений.

Французское слово "etalon" означает образец, мерило, узаконенный

тип чего - либо, тщательно изготовленную меру, принятую в качестве

образца. Первоначально, когда создавались международные эталоны

килограмма и метра, выполненные в виде тщательно изготовленных

образцов, этот смысл вкладывался и в понятие "эталон", применяемое

в метрологии. С развитием приборостроения многие средства измере-

ний, особенно высокой точности, стали приобретать вид измеритель-

ных комплексов. В значительной степени это коснулось эталонов,

особенно первичных и специальных. В связи с этим изменилось и по-

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

нятие "эталон".

Эталон представляет собой средство измерения (или комплекс

средств измерений), обеспечивающее воспроизведение и хранение

единицы физической величины (или одну из этих функций) с целью

передачи размера единицы образцовым, а от них рабочим средствам

измерений и утвержденное в качестве эталона в установленном по-

рядке.

Различают эталоны первичные и вторичные. Если эталон воспро-

изводит единицу с наивысшей в стране точностью, он называется пер-

вичным. Первичные эталоны основных единиц воспроизводят едини-

цу в соответствии с ее определением. Примером первичного эталона

является комплекс средств измерений для воспроизведения метра в

длинах световых волн излучения криптона - 86. Первичные эталоны, а

также их разновидности - специальные первичные эталоны, утвер-

ждают в качестве государственных эталонов, которые утверждаются

Государственным комитетом стандартов, и на каждый из них утвер-

ждается государственный стандарт.

Основное назначение эталонов - служить материально - техниче-

ской базой воспроизведения и хранения единиц физических величин.

Основные единицы Международной системы единиц (СИ) должны

воспроизводиться с помощью государственных эталонов, т.е. центра-

лизовано. Дополнительные, производные, а при необходимости и вне-

системные единицы, исходя из технико-экономической целесообраз-

ности, воспроизводятся одним из двух способов:

- централизованно - с помощью единого для всей страны госу-

дарственного эталона;

- децентрализовано - посредством косвенных измерений, выпол-

няемых в органах метрологической службы с помощью образцовых

измерений.

Централизовано воспроизводится большинство важнейших про-

изводных единиц СИ (ньютон, джоуль, паскаль и др.), а децентрали-

зовано - производные единицы, размер которых не может передавать-

ся прямым сравнением с эталоном.

В метрологической практике широко распространены вторичные

эталоны, значения которых устанавливаются по первичным эталонам

и которые создаются и утверждаются в тех случаях, когда это необхо-

димо для организации поверочных работ и для обеспечения сохранно-

сти и наименьшего износа государственного эталона. По своему мет-

рологическому назначению вторичные эталоны делятся на эталоны -

копии, эталоны - сравнения, эталоны - свидетели и рабочие эталоны.

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

Наряду с эталонами в нашей стране широко распространен класс

средств измерений, предназначенных для поверки, называемые образ-

цовыми средствами измерений.

Образцовое средство измерений - средство измерений, предна-

значенное или применяемое для поверки рабочих средств измерений.

Образцовые средства измерений в зависимости от точности подразде-

ляются на разряды 1-й, 2-й и т.д.; 1-й разряд - самый высокий. Число

разрядов для каждого вида средств измерений устанавливается госу-

дарственной поверочной схемой.

Государственные эталоны хранятся в метрологических институ-

тах страны. Для проведения работ с государственными эталонами на-

значаются особые ответственные лица – ученые, хранители эталонов.

Вторичные эталоны используются как в метрологических институтах,

так и в различных метрологических службах крупных городов, где по

разрешению Госстандарта страны допускается их хранение и приме-

нение в органах ведомственной метрологической службы.

Кроме национальных эталонов единиц физических единиц суще-

ствуют международные эталоны, хранимые в Международном бюро

мер и весов. Программой деятельности международного бюро преду-

смотрены систематические международные сличения национальных

эталонов крупнейших метрологических лабораторий разных стран с

международными эталонами и между собой. Эталоны метра и кило-

грамма сличают раз в 25 лет, остальные величины - в 3 года.

1.7 Показатели качества средств измерений

Для средств измерений, как и для любого вида продукции на Ук-

раине, установлены следующие показатели качества:

- показатели назначения;

- показатели надежности;

- показатели экономного использования сырья, материалов, топ-

лива, энергии и трудовых ресурсов;

- эргономические показатели;

- эстетические показатели;

- показатели технологичности;

- показатели транспортабельности;

- показатели стандартизации и унификации;

- патентно-правовые показатели;

- экологические показатели;

- показатели безопасности.

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

Ниже приводятся более подробные характеристики наиболее

важных показателей качества средств измерений.

Показатели назначения характеризуют основные функции сред-

ства измерения, область ее применения. Эти показатели подразделя-

ются на три подгруппы: показатели функциональные и технической

эффективности, конструктивные показатели, показатели состава и

структуры.

К показателям функциональным и технической эффективности

средств измерений относятся метрологические характеристики (пре-

дел допускаемого значения основной и дополнительной погрешности,

динамические характеристики, классы точности), показатели быстро-

действия, уровня автоматизации процесса измерений, максимальная

продолжительность времени непрерывной работы и др.

Конструктивные показатели средств измерения - это граница

нормальных и рабочих областей измерения значений влияющих вели-

чин (температуры окружающего воздуха, относительной влажности,

атмосферного давление и т.д.), характеристики прочности, весовые,

габаритные и другие показатели.

Показатели надежности включают такие характеристики как

безотказность, долговечность, и ремонтопригодность. Показатели без-

отказности оценивают временем непрерывной работы средств изме-

рений до наступления отказа. К ним относят вероятность безотказной

работы за заданное время, интенсивность отказов, среднюю наработку

до отказа. Особое значение для средств измерения имеют показатели

метрологической надежности, т.е. показатели безотказности, учиты-

вающие только метрологические отказы средств измерения.

Метрологические отказы заключаются в потере средством изме-

рений метрологической исправности и наступают в тот момент, когда

хотя бы одна из метрологических характеристик превышает установ-

ленную для нее норму. Такие отказы являются следствием закономер-

но протекающих во всех элементах и соединениях процессов износов,

старения и разрегулировки.

Время наступления метрологического отказа - величина случай-

ная, и она обусловлена случайной скоростью протекания направлен-

ных процессов износов и старение средств измерения. Метрологиче-

ский отказ протекает скрытно и никак не проявляется внешне. От

средства измерений поступает информация неудовлетворительного

качества, что приводит к нарушению технологического процесса при

его управлении по данному средству измерения. Именно поэтому

проблеме повышения метрологической надежности средств измере-

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

ний необходимо уделить большое внимание.

Для оценки метрологической надежности средств измерений

предлагается следующая последовательность работ, получившая рас-

пространение на практике. В техническое задание вносится показа-

тель метрологической надежности - вероятность работы без метроло-

гических отказов за время, равное межповерочному интервалу. Выби-

рается наиболее целесообразный с точки зрения экономической эф-

фективности или организации эксплуатации межповерочный интер-

вал. Значение вероятности выбирают исходя из ответственности изме-

рений и требований к их достоверности. Если аналитическую оценку

получить невозможно разработчики оценивают нестабильность экспе-

риментально, путем проведения испытаний макетов средств измере-

ний или их узлов.

При испытаниях на надежность установочной серии средств из-

мерений периодически экспериментально оцениваются нормируемые

метрологические характеристики. С учетом этих оценок прогнозиру-

ются изменения метрологических характеристик за межповерочный

интервал и вероятность работы без метрологических отказов в тече-

нии межповерочного интервала

Фактические показатели метрологической надежности оценива-

ются изготовителями средств измерений по результатам подконтроль-

ной эксплуатации серийных образцов. Сведения об их соответствии

или несоответствии нормируемым значениям предъявляются на госу-

дарственные контрольные испытания. Если фактические показатели

метрологической надежности существенно отличаются от нормируе-

мых, принимается решение о соответствующем изменении (увеличе-

нии или уменьшении) межповерочного интервала.

Эргономические показатели характеризуют систему "человек -

средство измерений". Они учитывают комплекс гигиенических, ан-

тропометрических, физиологических и психологических свойств че-

ловека, проявляющихся в производственных процессах. К этим пока-

зателям относятся уровни шума, температуры, соответствий конст-

рукции изделия силовым возможностям человека и др.

Эстетические показатели характеризуют информационную вы-

разительность, рациональность формы, целостность композиции, со-

вершенство производственного исполнения. К ним относят показате-

ли оригинальности, стилевого соответствия, отделки поверхности,

четкости исполнения указателей и др. Эстетические показатели долж-

ны обеспечивать наименьшее нервно - эмоциональное напряжение и

утомляемость оператора, что способствует сокращению числа грубых

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

ошибок, повышению скорости работы и точности снятия показаний.

Показатели стандартизации и унификации характеризуют на-

сыщенность средств измерений стандартными и унифицированными

составными частями. В настоящее время используются некоторые

унифицированные средства измерения (например, комплекс средств

измерения давления и расхода) и осуществляется унификация других

средств измерений с целью создания информационно-измерительных

систем и единых приборных комплексов на базе стандартных блоков

и узлов, предназначенных для решения любых измерительных задач.

Унификация средств измерения позволит обеспечить информацион-

ную, метрологическую, энергетическую и эксплуатационную совмес-

тимости основных частей, разрабатываемых систем.

Экологические показатели - показатели уровня вредных воздей-

ствий отдельных элементов средств измерений на окружающую среду

при их эксплуатации. К экологическим показателям относятся: допус-

тимое содержание вредных веществ, выбрасываемых в окружающую

среду, допустимая мощность электромагнитных и ионизирующих из-

лучений и др. При выборе этих показателей необходимо учитывать

требования охраны окружающей среды.

Показатели безопасности характеризуют среднее время безо-

пасной работы защитных устройств. Показатели безопасности содер-

жатся в стандартах технических условий и показателей качества

средств измерения. Так, на средства электрических измерений указы-

вается электрическая прочность изоляции, электрическое сопротивле-

ние изоляции, между токоведущими цепями и корпусом предусматри-

вается заземление, световая индикация сетевого выключателя, знаки

безопасности и т. д.

1.8 Погрешности измерений

При любых измерениях любыми средствами измерения получен-

ное значение физической величины отличается от его истинного зна-

чения. Это связано с несовершенством применяемых методов измере-

ния, средств измерений, непостоянством условий измерений и т.д. От-

клонение результата измерения от истинного значения называется по-

грешностью измерения. Однако согласно одному из постулатов метро-

логии, истинное значение определить невозможно и поэтому погреш-

ность определяется по отклонению результата измерения от действи-

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

тельного значения измеряемой величины, определяемая по формуле:

∆х

изм

= х

изм

– х

,(1.1)

где ∆х

изм

- погрешность измерения;

изм

- измеренное значение физической величины;

- действительное значение.

При проведении измерений в качестве действительного значения

величины применяют значение величины, полученное с помощью об-

разцовых средств измерений. При многократных измерениях за дейст-

вительное значение обычно принимают среднее арифметическое из

ряда отдельных измерений.

Погрешность измерения, выраженная в единицах измеряемой ве-

личины, называется абсолютной погрешностью (т.е. ∆х

изм

по формуле

(1.1)). Однако, в большей степени точность средств измерений харак-

теризует относительная погрешность, т.е. выраженное в процентах

отношение абсолютной погрешности к действительному значению

измеряемой величины:

%100

изм

∆

=δ

(1.2)

Если диапазон измерения прибора охватывает и нулевое значение

измеряемой величины, то относительная погрешность обращается в

бесконечность в соответствующей ему точке шкалы. В этом случае

пользуются понятием приведенной погрешности, равной отношению

абсолютной погрешности измерительного прибора к "размаху шка-

лы", т.е. ко всей длине шкалы, выраженной в единицах измеряемой

величины:

%100

изм

−

∆

=γ

,(1.3)

где х

- наименьшая цифровая отметка на шкале прибора;

- наибольшая цифровая отметка на шкале прибора.

Пример 1.1. При измерении давления в рабочем пространстве на-

гревательной печи тягонапоромером (рабочий прибор) было зафикси-

ровано значение +21 Па. Показание образцового прибора составило

+20,5 Па. Определить абсолютную, относительную и приведенную

погрешности, если крайние цифровые отметки на шкале рабочего

прибора равны - 200 Па и +200 Па.

Абсолютная погрешность: ∆х

изм

=21–20,5=0,5 Па.

Относительная погрешность: %4,2%100

5,20

5,0

==δ .