Волошенко А.В. Метрология, стандартизация и сертификация (курс лекций)

Подождите немного. Документ загружается.

Волошенко А.В.

МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И

СЕРТИФИКАЦИЯ

(курс лекций)

2009

1. Метрология, стандартизация и сертификация

1.1. Основные понятия

Теоретической основой любой измерительной техники является –

метрология.

Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспе-

чения их единства и способах достижения заданного уровня точности.

В переводе с греческого метрон – мера, логос – учение, понятие, т.е.

учение о мерах.

Д. И. Менделеев, выполнивший исключительно важные работы в

области метрологии, говорил – «Наука начинается с тех по

р, как начи-

нают измерять». Организованная им в 1893 г. Палата мер и весов ныне

является центральным метрологическим учреждением России и называ-

ется Всероссийским научно-исследовательским институтом метрологии

(ВНИИМ) им. Д.И. Менделеева.

Метрология делится на три самостоятельных и взаимодополняю-

щих раздела.

Теоретич

еская метрология, в которой излагаются общие вопросы

теории измерений.

Прикладная метрология рассматривает комплексы общих правил,

требований и норм, а так же другие вопросы, нуждающиеся в регламен-

тации и контроле со стороны государства, направленные на обеспечение

единства измерений и единообразия средств измерений.

Законодательная метрология рассматривает комплексы общих

правил, т

ребований и норм, а также другие вопросы, нуждающиеся в

регламентации и контроле со стороны государства, направленные на

обеспечение единства измерений и единообразия средств измерений

(СИ).

К основным задачам метрологии относятся:

1. Общая теория измерений.

2. Единицы физических величин и их системы.

3. Методы и средства измерений.

4. Методы определения точности измерений.

5. Основы обеспечения единства измер

ений и единообразия СИ.

6. Эталоны и рабочие эталоны.

7. Методы передачи размеров единиц от эталонов или рабочих

эталонов рабочим СИ.

Рассмотрим ряд понятий относящихся к измерениям, используе-

мых в метрологии и измерительной технике.

Физической величиной (параметром) называют свойство, общее в

качественном отношении для многих физических объектов, но в коли-

чественном отношении индивидуальное для каждого объекта.

Размер физической величины – количественное содержание в

данном объекте свойства, соответствующего понятию физическая вели-

чина (ФВ).

Размер служит для отображения количественного различия между

физическими объектами по рассматриваемому свойству. В результате

формируется заключение о сравниваемых объектах: длиннее или коро-

че, тяжелее ил

и легче, теплее или холоднее и т.п.

Единица физической величины – это физическая величина, кото-

рой, по определению, приписано значение, равное единице. Единицу

физической величины определяют путем пропорционального деления

основного интервала шкалы физической величины.

[S]=(S

-S

)/n, (1.1)

где: [S] – некоторый размер ФВ, называемый единицей ФВ;

– верхний размер ФВ (конечный);

– нижний размер ФВ (начальный);

n – доля интервала ФВ

-S

) – интервал между размерами S

и S

, называемый основным

интервалом шкалы ФВ.

Измеряемая величина – это ФВ, выбранная для измерения.

Измерение – это нахождение физической величины (ФВ) опыт-

ным путем с помощью специальных технических средств.

В более широком смысле измерение – это процесс приема и пре-

образования информации об измеряемой величине с целью получения

сравнительного результата; сравнения её с принятой шк

алой или едини-

цей измерения и выдачи её в форме пригодной для дальнейшего ис-

пользования человеком или ЭВМ.

Измерительное преобразование – отражение размера одной ФВ

размером другой ФВ, функционально с ней связанной.

Процесс решения любой задачи измерения включает в себя три

этапа: подготовку, проведение измерения (эксперимента) и обработку

результатов.

Процесс измерения включает в себя ря

д составных элементов, ко-

торые показаны на рис. 1.1.

Объект измерения – это сложное явление или процесс, характери-

зующийся множеством отдельных ФВ (параметров), каждая из которых

Рис. 1.1. Структурная схема процесса измерения:

СИ – средство измерения; М – мера; Y – результат измерения;

X – измеряемая величина; Z – влияющая физическая величина (ВФВ)

может быть измерена в отдельности, но в реальных условиях действует

на измерительное устройство совместно со всеми остальными парамет-

рами. В теплоэнергетике основными объектами измерения являются ко-

тел, турбина и их вспомогательное оборудовани

е.

В процессе измерения на СИ, оператора и объект измерения воз-

действуют внешние факторы – влияющие физические величины ВФВ.

ВФВ называют ФВ, которая не измеряется данным СИ, но оказы-

вает влияние на результат измерения, проведённым этим средством

(температура окружающей среды, атмосферное давление, влажность и

т.п.).

В общем случае СИ называется те

хническое средство (мера, изме-

рительный прибор или преобразователь, измерительная система), ис-

пользуемое при измерениях и имеющее нормированные метрологиче-

ские характеристики (класс точности, вариация и т.п.).

Мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведе-

ния физической величины заданного размера.

Результат измерений величины Х можно записать в виде форму-

лы, называемой основным уравнением измерения:

Х = Y [ Х ], (

1.2)

где Y – отвлеченное число, называемое числовым значением ФВ;

[Х] – единица ФВ.

Объект

измерения

ВФВ

СИ

Субъект

измерения.

Наблюдатель.

(

ВФВ

)

ВФВ

Y= Х

(

)

Результат измерения – это значение физической величины, най-

денное путём её измерения.

Различают истинное и действительное значение измеряемой вели-

чины.

Истинное значение ФВ – значение ФВ, которое идеальным обра-

зом отражало бы в качественном и количественном отношениях соот-

ветствующее свойство объекта.

В философском аспекте истинное значение всегда остается неиз-

вестным, а совершенствование измерений позволяет приближаться к

истинному значени

ю физической величины. T

п.в.

=100

C=99,974

В метрологическом аспекте истинным значением измеряемой ве-

личины называется её значение свободное от погрешности измерения,

т.е. не содержащее погрешности:

= φ ( X

), если М = М

1.3)

евозможно, поэтому уравнение (1.3) перепишем следующим образом:

если М = М

±∆М,

та измерений;

∆

но

получ

найденное экс-

перим

ей точностью. Его получают в результате

измер

дполагае-

мом и

рения и погрешность измерения.

(

Истинное значени

е измеряемой величины практически получить

± ∆Y = φ(X

± ∆Х),

(1.4)

где ∆Y – погрешность результа

Х – погрешность измеряемой величины;

∆М – погрешность меры.

Если эти погрешности минимально возможные, которые мож

ить при современном уровне измерительной техники, то данный

результат измерений можно назвать действительным значением ФВ.

Действительное значение ФВ – это значение ФВ,

ентальным путём и настолько приближающееся к истинному, что

для данной цели мо

жет быть использовано вместо него.

Следовательно, для оценки точности измерения в практике при-

нимается вместо истинного значения измеряемой величины действи-

тельное значение измеряемой величины, т.е. значение измеряемой вели-

чины, полученное с наибольш

ения с минимально допускаемой погрешностью, как правило, с

помощью рабочих эталонов,

Чтобы составить п

редставление о выполненном или пре

змерении, необходимо знать его основные характеристики: прин-

цип измерения, метод изме

Принцип измерения – совокупность физических явлений, на кото-

рых основано измерение.

Метод измерения – совокупность приёмов использования прин-

ципов и средств измерений.

Погрешность (или ошибка) измерения – отклонение результаты

меряемой величины и назыв

ается абсолютной погрешностью.

измер

ения, отражающее близость

го результата к истинному значению измеряемой величины. Количест-

ой погрешности, взятой по модулю:

При определении абсолютн

ой и относительной погрешности, а

также точности я ФВ Y

реально

ожет быть использовано ее действительное значение Y

представлены в виде схемы на рис. 1.2.

време-

ни в п тся

в проц

меняется в измерительной технике.

подразделяются на 3 класса:

измерения Y от истинного значения Y

измеряемой величины:

±∆ = Y – Y

(1.5)

Погрешность, определяемая формулой (1.5), выражается в единицах из-

Относительная погрешность измерения – отношение абсолютной

погрешности измерения к истинному значению измеряемой величины:

±δ = ∆/Y

. (1.6)

Точность измерения – качество

венно точность может быть выражена величиной, обратной относитель-

ε = | Y

/∆ |.

(1.7)

измерения, вместо истинного значени

1.2. Классификация измерений

Измерени

я классифицируются по нескольким признакам, наибо-

лее важные из которых

По первому признаку измерения подразделяются на статические,

при которых измеряемая величина (ИВ) остаётся постоянной во

роцессе измерения, и динамические, при которых ИВ изменяе

ессе измерения.

Классификация по второму признаку является в большей степени

условной, однако широко при

По третьему признаку измерения

Измерения максимально возможной очности, достижимой при

современном уровне техники. Это измерения, связанные с созданием и

воспроизведением эталонов.

Контрольно–поверочные измерения, пог

решности которых не

должн

стиками средств измерения. Тех-

ничес е распространённ

ыми и выпол-

няютс

манометр

ом.

ют к

личиной и величинами, измеренными прямым методом.

ы превышат

ь заданного значения. Такие измерения осуществля-

ются в основном государственными и ведомственными метрологиче-

скими службами и ремонтными организациями.

Технические измерения, в которых погрешность результата опре-

деляется метрологическими характери

кие измерения являют

ся наиболе

я во всех отраслях хозяйства и науки. К ним, в частности, отно-

сятся и теплотехнические измерения.

С четвёртым признаком всё ясно.

Под наблюдением понимают экспериментальную операцию, вы-

полняемую в процессе измерения, в результате которой получают одно

значение из серии значений величин, подлежащих совместной обработ-

ке для по

лучения результата измерений.

По пятому признаку измерения подразделяются в зависимости от

значение из серии значений величин, подлежащих совместной обработ-

ке для получения результата измерений.

По пятому признаку измерения подразделяются в зависимости от

вида уравнения измерения, что и определяет способ получения резуль-

тата.

Прямыми называют измерения, при которых искомое значени

величины находят непосредственно из опытных данных (по показаниям

ИП). Математически прямое измерение описывается уравнением (1.2).

Примером прямых измерений может служить: измерение длины линей-

кой, масса весами, температура термометром, давление –

Косвенными называ измерения, при оторых искомое значение

величины находят на основании известной з висимости между этой ве-

,…x



(1.8)

где Y – искомая, косвенно измеренная величина;

, x

, … x

– величины, измеренные прямым методом;



– время.

Примером косвенных измерений может служ расхода ме-

тодом переменного перепада давления, элек сопротивления

по падению напряжен тока и т.п.

ить измерение

трического

ия и силе

Изме

ения

По

зависим

измеря

величи

от врем

ем

сти

ой

ни

По

ивши

купнос

еряем

еличи

слож

сово

изм

ся

ям

По

овиям,

ляющ

ность

льтата

По

зме

пол

числу

и рени

ы няем

й,

ых

По

собу

чения

ьтата

виду)

ус

опре

ре

де

оч

зу

спо

полу

резул

(по

им

4 5

ля пол

че

р ьтат

ния

а езул

Статические

С одноктатным

наблюдением

(

обыкновенные

)

С многоктатными

наблюдениями

(

статистические

)

ямыее

Косвенныее

Совок

пные

Совместные

инамические

Физико-технические

и. т.д.

Теплотехнические

Механические

Элект

ические

Конт

ольно-пове

очные

Радиотехнические

Максимально

возможной

точности

Технические

Рис. 1.2. Классификация измерений

овокупными называют производимые одновременно измерения

нескольких одноимённых величин, при которых искомые значения ве-

личины находят решением системы уравнений, получаемых при прямых

измерениях различных чин или ряда других вели-

чин, функционально связанных с измеряемыми.

Совместными называют проводимые одновременно измерения

двух или нескольких разноимённых величин зависимо-

сти ме еро

м совместных из жет служить из-

мерение те энергии по температуре, давлению и расходу тепло-

носителя, определение удельного электрического сопротивления про-

водника по его сопротивлению, длине и площади поперечного сечения.

1.3. Методы измерений

Прямые изм я являются наиболее распространёнными и слу-

жат основой для б видо змерений.

Различают тода прямых мерений: мет

од непосредствен-

ной оцен и мето равнения с меро

Мера – средство измерений, предназначенное для спроизведе-

ния физической величины заданног азмера. приме – мера

массы.

Метод непосредственной оцен отсчёта) – метод измерений, в

котором значение величины определяют непосредственно по отсчётно-

му устройству ИП прямого действия. (Прибор прямого действия – ИП, в

котором сигнал и направ-

лении с входа на , жид

ко-

стный .

сочетаний этих вели

для нахождения

жд

у ними. Прим

пловой

мерений мо

ер

ол

два

д с

ени

ее сложных

ме

в и

из

й.

о р

ки (

ки

во

р: гиря На

змерительно

й информации движется в одном

выход). Например: линейка, штангенциркуль

манометр

Метод сравнения с мерой – метод измерения, в котором измеряе-

мую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.

Метод сравнения с мерой подразделяют на нулевой и дифферен-

циальный в зависимости от наличия ил

и отсутствия при сравнении раз-

ности между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой ме-

рой.

Нулевой метод – это метод сравнения с мерой, в котором резуль-

тирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят

до нуля.

К приборам, принцип работы которых основан на нулевом (ком-

пенсационном) методе относятся автоматические потенциометры, урав-

новешенные мосты и др. Простейший прибор сравнения – равноп

леч-

ные весы.