Метрология, стандартизация и сертификация: конспект лекций. Конспект лекций метрология Основы стандартизации и технические измерения лекции
Лекции по метрологии
(для студентов заочного отделения)
Часть I . Основы метрологии
Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и требуемой точности.
Единство измерений – результаты выражены в узаконенных единицах и установлены допустимые погрешности.
Метрология определяет как правильно проводить измерения, поэтому является базовой наукой.
В РФ имеется примерно 1,5 млрд. средств измерений (СИ).
Официально началом участия государства в метрологическом деле в России считается 1893 г., когда была создана Главная палата мер и весов. Возглавил ее Д.И. Менделеев. Он и считается первым метрологом России.
В 1930 г. был создан Госстандарт СССР. Сейчас работу в РФ возглавляет Росстандарт. Подразделения государственной метрологической службы (ГМС) Росстандарта:
Научные метрологические центры и НИИ;
Опытные заводы;
Издательства, учебные заведения;
Территориальные органы (областные);
Метрологические службы органов управления и юридических лиц (на каждом предприятии есть метрологическая служба).
В метрологии выделяют три направления:
1. Законодательное (разработка нормативных документов, испытания СИ, утверждение типа СИ, их поверка, калибровка, сертификация, метрологический контроль и надзор).
2. Фундаментальное или научное (разработка новых методов измерений, средств измерений, методов обработки результатов измерений, определения погрешностей).
3. Практическое или прикладное.
Базовые законы по метрологии :
«Об обеспечении единства измерений»
«О техническом регулировании».
Основные метрологические термины и определения
Физическая величина (ФВ) – одно из свойств физического объекта, которое является общим в количественном отношении для многих физических объектов, отличаясь количественным значением.
Отличие: ФВ имеет единицу измерения.
Пример ФВ: ток, напряжение, …
Размер ФВ – количественное содержание ФВ в данном объекте.
Значение ФВ – количественная оценка ФВ в виде некоторого числа единиц данной ФВ.
Единица ФВ – ФВ, которой по определению придано значение, равное единице.
Измерение – нахождение значений ФВ опытным путем с помощью специальных технических средств.
Точность измерений – степень приближения результатов измерений к истинному значению измеряемой величины. Численно оценивается с помощью погрешностей.
Погрешность измерений – отклонение результата измерений от действительного (истинного) значения измеряемой величины.
Действительное значение – значение, определенное экспериментально (с помощью эталонных средств измерений) и настолько близкое к истинному, что может быть за него принято.
Истинное значение – значение, идеально отражающее в качественном и количественном отношении соответствующее свойство данного физического объекта.
Средства измерений (СИ) – технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные погрешности (класс точности).
Единицы измерений. Системы единиц
Все первые единицы измерений были привязаны к телу человека или каким-то широко распространенным предметам.
Так в России для измерения длины:
- пядь – расстояние между большим и средним пальцами;
- аршин – 4 пяди;
- локоть ;
В Англии:
- дюйм (с 1324 г. !) – три круглых сухих ячменных зерна, уложенных по длине;
- фут – 12 дюймов;
- ярд – 3 фута.
В 1496 г. был создан эталон ярда – латунный восьмигранный стержень.
По мере развития измерений изобретались новые единицы измерений и острой стала проблема сопоставимости результатов.
Так в электротехнике к 1870 г. в мире применялось 15 единиц измерения сопротивления, восемь – напряжения, пять – тока и т.д. В 1881 г. состоялся Первый международный электротехнический конгресс, на котором вопросу единых единиц измерения уделили много внимания.
Истории известно несколько международных систем единиц измерения.
С 1963 г. в большинстве стран, в том числе и в России используется система СИ . Она включает семь основных величин (метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, кандела, моль), две дополнительных (радиан и стерадиан) и множество производных (ом, ватт, герц, вольт и т.д.).
Некоторые виды деятельности Росстандарта
1. Утверждение типа СИ .
Оно необходимо для постановки на производство и выпуск в обращение новых типов СИ или ввоз их из-за границы.
Процедура утверждения предусматривает:
Обязательные испытания СИ;
Принятие решения об утверждении типа СИ;
Его регистрацию;
Выдача свидетельства (ранее - сертификата) об утверждении типа СИ.
Утвержденный тип СИ подлежит внесению в Госреестр СИ, который ведет Росстандарт. На СИ утвержденного типа и эксплуатационные документы наносится знак утверждения типа СИ.
Знак утверждения типа СИ
2. Поверка СИ . Поверка СИ заключается в установлении органом ГМС пригодности СИ к применению на основании экспериментально определяемых метрологических характеристик и подтверждения их соответствия установленным требованиям (в первую очередь – указанному на СИ классу точности).
Поверка СИ осуществляется в аккредитованном испытательном центре (лаборатории) аттестованным в качестве поверителя физическим лицом.
Различают поверки:
Первичную, после изготовления;
Периодическую (в эксплуатации, например, раз в год);
а также внеочередную, инспекционную, экспертную.
Знак поверки (голографический)
Для обеспечения единства измерений в стране существует Государственная поверочная схема. Она установлена для обеспечения правильной передачи размеров единиц от эталонов к рабочим СИ. Утверждена схема Росстандартом.
Стрелки на схеме показывают какие менее точные СИ следует поверять СИ данного уровня. Так по эталонным СИ 1-го разряда, например, следует поверять эталонные СИ 2-го разряда, а также рабочие СИ высшей точности.
Эталонные СИ можно применять только для поверки, а рабочие – при любых измерениях. Класс точности эталонного прибора должен быть в 5 раз выше, чем у поверяемого (иногда допускается в 3 раза). На каждом этапе передачи размеров единиц регламентируется метод передачи.
Государственная поверочная схема
Обязательность поверки СИ определяется областью их применения. Закон РФ «Об обеспечении единства измерений» содержит их перечень. Это военная и космическая техника, медицина, торговля, фиксация рекордных результатов в спорте и т.д.
Если же область применения данного СИ в вышеназванный перечень не входит, то в процессе эксплуатации проводят или его поверку добровольно, или калибровку.
Процедура калибровки схожа с процедурой поверки, однако проводить ее могут и не только государственные метрологические службы, но и службы юридических лиц, если они имеют на это право (аккредитование).
3. Лицензирование деятельности по изготовлению, ремонту и продаже СИ.
Лицензия – документально оформленное разрешение, выдаваемое органом государственной метрологической службы на закрепленной за ним территории юридическому или физическому лицу на осуществление им деятельности по изготовлению, ремонту и продаже СИ.
Лица, претендующие на лицензию на изготовление СИ, должны иметь свидетельство об утверждении типа СИ. При этом проверяется наличие помещений, соответствующего оборудования и СИ, уровень подготовленности персонала и т.д.
4. Сертификация СИ – носит добровольный характер.
|
|
|
Знаки сертификации
а) – добровольная
б) – обязательная.
Методы измерений
Метод измерений (МИ) – прием или совокупность приемов сравнения измеряемой величины с ее единицей.
МИ делятся на методы непосредственной оценки , когда измеряемое значение определяют по отсчетному устройству измерительного прибора (например, ток по амперметру) и методы сравнения с мерой , когда в процессе измерений устанавливается равенство или определенное соотношение с мерой. Т.к. в процессе измерений участвует мера, то точность измерений методами второй группы возможна значительно выше, чем у первой, хотя процесс измерений может быть сложнее.
Различают методы одновременного и разновременного сравнения с мерой.
Наиболее известный метод одновременного сравнения – нулевой . При измерениях этим методом действие измеряемой величины А х на индикатор сводится к нулю встречным действием известной величины А 0 . При этом А х = А 0 .
Из методов разновременного сравнения рассмотрим метод замещения . Согласно ему измеряемая А х заменяется известной А 0 , и изменением А 0 цепь приводится в прежнее состояние (например, вместо резистора R x в цепь ставится магазин сопротивлений, и изменением его сопротивления R 0 восстанавливают в цепь прежний ток. При этом R x = R 0 ).
Методики выполнения измерений
С учетом того, что погрешность измерений зависит не только от класса точности, но и от других причин, которые определяются выбранным методом и процедурой измерений (условия измерения; погрешность, вносимая оператором и т.д.) создаются методики выполнения измерений (МВИ).
МВИ – совокупность конкретно описанных операций, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с установленными показателями точности.
МВИ, по сути, прописывает технологический процесс измерений (устанавливает метод и процедуру измерений, условия их проведения, требования к помещениям, оборудованию и оператору, правила обработки результатов измерений, определения погрешностей).
Виды измерений
1. По способу получения результатов измерений:
- прямые – измерения, при которых искомое значение величины получают непосредственно от средства измерений (например, нахождение напряжения по показаниям вольтметра).
- косвенные – измерения, при которых искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям (например, нахождение по закону Ома сопротивления по измеренным напряжению и току).
Совместные – производимые одновременно измерения двух или более неодноименных величин для нахождения зависимости между ними (например, измерения сопротивления и температуры).
2. По характеру зависимости измеряемой величины от времени различают измерения статические и динамические .
3. По количеству равноточных (равной точности) измерений различают измерения однократные и многократные . Преимущество многократных – в значительном снижении влияния случайных факторов на погрешность измерений.
Средства измерений
Средство измерений (СИ) – техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики.
Основные группы СИ:
1. Меры (эталоны). Эталоны – высокоточные меры.
Меры – СИ, предназначенные для хранения и воспроизведения физической величины заданного размера с определенной точностью.
Первичные эталоны воспроизводят единицы ФВ с наивысшей точностью. Например, первичный в РФ эталон времени обеспечивает погрешность не более одной секунды в 500 тысяч лет. От первичного эталона размер передается эталонам-копиям, а от них – разрядным эталонам (см. поверочную схему).
2. Измерительные приборы (ИП) – СИ, предназначенные для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для восприятия наблюдателем.
По форме измерительной информации различают приборы аналоговые (в том числе стрелочные) и цифровые.
Есть ИП показывающие (результат считывается) и регистрирующие (результат прибором фиксируется).
По характеру применения: стационарные (щитовые) и переносные (лабораторные).
3. Измерительные установки – стационарные установки, содержащие несколько измерительных устройств (например, установка для поверки амперметров и вольтметров постоянного тока содержит источники питания, эталонные приборы, резисторы в термостате и др. оборудование).
4. Измерительные преобразователи – СИ, предназначенные для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки или хранения, но не поддающихся непосредственному восприятию наблюдателем.
Основные группы:
Масштабные, ослабляющие или усиливающие измерительный сигнал (измерительные трансформаторы, делитель напряжения, усилители и др.);
Фильтры, отделяющие сигнал от помех;
Аналого-цифровые преобразователи;
Преобразователи неэлектрических величин в пропорциональные им электрические (датчики).
5. Измерительные системы – совокупности функционально объединенных мер, измерительных приборов, преобразователей, компьютеров и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта с целью измерения нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в разных целях.
6. Измерительные принадлежности – устройства, обеспечивающие технику безопасности и удобство измерений.
7. Виртуальные приборы – состоят из персонального компьютера с программным обеспечением и встроенной в него аналого-цифровой платой сбора данных.
Погрешности
Погрешности СИ делятся:
В зависимости от условий возникновения на основные и дополнительные;
В зависимости от изменения во времени измеряемой величины на статические и динамические;
В зависимости от значения измеряемой величины на аддитивные и мультипликативные;
По закономерности проявления – систематические и случайные.
Погрешности СИ можно численно выразить как абсолютную, относительную и приведенную.
Основная – погрешность СИ при его применении в нормальных условиях;
Дополнительная – возникающая дополнительно к основной при применении СИ в условиях, когда влияющие величины (температура, влажность и т.п.) выходят за установленные границы.
Статическая – при измерении не меняющейся во времени величины.
Динамическая – при измерении меняющейся во времени величины.
Аддитивная – не зависящая от размера измеряемой величины.
Мультипликативная – увеличивающаяся с ростом измеряемой величины.
Систематическая – постоянная или закономерно меняющаяся.
Случайная – изменяющаяся случайным образом.
Абсолютная – погрешность СИ, выраженная в единицах измеряемой величины.
Это разность между показанием прибора Х и действительным значением Х д измеряемой величины:
.
Поправка – абсолютная погрешность, взятая с обратным знаком. При сложении поправки с Х получается Х д .
Относительная:
.
Относительная погрешность более информативна, чем абсолютная, т.к. есть привязка к показанию прибора.
Приведенная :
,
где Х Н равен пределу измерений.
Класс точности СИ
Класс точности (К) – обобщенная характеристика точности СИ, выражаемая пределами допускаемых погрешностей.
У аналоговых ИП класс точности выражается одним числом, у цифровых – двумя числами в виде отношения.
У аналоговых:
.
Т.е. класс точности показывает максимально возможную приведенную погрешность. Соответствие прибора этому условию и проверяется при поверке.
Для стрелочных амперметров и вольтметров, например, установлены следующие К:
0,05; 0,1; 0,2; 0,3; 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0.
,
где Х – показания прибора.
У цифровых приборов класс точности выражается в виде c/d , например: 0,1/0,05.
В этом случае:
,
где Х К – конечное значение выбранного диапазона измерений.
Нормируемые метрологические характеристики
средств измерений
Метрологическая характеристика (МХ) – характеристика одного их свойств СИ, влияющая на результат измерений и его погрешность.
При поверке (калибровке) СИ определяют действительные значения МХ и сравнивают с установленными нормами.
МХ нормируют для нормальных условий эксплуатации.
1. Погрешность – основная МХ. Максимально допустимая погрешность СИ определяется его классом точности.
2. Собственная потребляемая из контролируемой цепи мощность (чем меньше, тем лучше, т.к. включение СИ в цепь не должно искажать режим ее работы).
3. Область рабочих частот (диапазон частот).
У измерительных приборов к МХ также относят:
- диапазон показаний – область значений шкалы прибора, ограниченная начальным и конечным значением шкалы;
- диапазон измерений – область значений величины, в пределах которой нормированы (классом точности) допускаемые пределы погрешности. Пределы диапазона измерений на шкале выделяются точками, если они не совпадают с начальным и конечным значениями шкалы.
- чувствительность (например, для амперметра это число делений на ампер);
- цена деления – обратная чувствительности МХ (для амперметра это число ампер на деление).
Локальные поверочные схемы
Для поверки амперметров и вольтметров классов точности 1,0 и больше обычно используется метод непосредственного сличения с эталонным прибором. В основе метода лежит проведение одновременных измерений поверяемым и эталонными приборами. Погрешность определяют как разницу показаний, принимая показания эталонного за действительное значение измеряемой величины.
Предел измерений эталонного прибора выбирается несколько больше предела поверяемого, но не более, чем на 25 %. Класс точности эталонного прибора должен быть в 5 раз выше, чем у поверяемого. (пример: для поверки приборов классов 1,0 подходит эталонный прибор класса 0,2).
Поверка проводится на всех числовых отметках шкалы поверяемого (кроме нулевой) при двух вариантах изменения тока (напряжения): при увеличении («вверх» по шкале) с остановкой на каждой числовой отметке. Затем – тоже «вниз» по шкале.
Для того, чтобы
оценить соответствие прибора указанному
на нем классу точности, следует сопоставить
с ним полученные значения приведенной
погрешности. Если все значения
,
то прибор классу точности соответствует.
Если же хотя бы одно значение
превышает К
– вывод противоположный.
Напоминание: амперметры включаются при поверке последовательно, а вольтметры – параллельно друг другу.
Вопросы к экзамену по метрологии
для студентов заочного отделения
ч. I . Основы метрологии
Метрология. Основные термины и определения. Метрологические службы в стране.
Утверждение типа средства измерений. Поверка. Лицензирование.
Методы измерений. Методики измерений. Виды измерений.
Средства измерений. Их метрологические характеристики.
Погрешности измерений.
Классы точности.
Поверка амперметров и вольтметров.
ч. II . Электрические измерения
Измерительные приборы.
Аналоговые измерительные приборы. Общие узлы. Обозначения на циферблате.
Шунты, добавочные резисторы, делители напряжения.
Измерительные трансформаторы тока и напряжения.
Магнитоэлектрические приборы.
Омметры. Схемы.
Электродинамические приборы. Схема ваттметра.
Электронно-лучевые осциллографы.
С течением мировой истории человеку приходилось измерять различные вещи, взвешивать продукты, отсчитывать время. Для этой цели понадобилось создать целую систему различных измерений, необходимую для вычисления объема, веса, длины, времени и т. п. Данные подобных измерений помогают освоить количественную характеристику окружающего мира. Крайне важна роль подобных измерений при развитии цивилизации. Сегодня никакая отрасль народного хозяйства не могла бы правильно и продуктивно функционировать без применения своей системы измерений. Ведь именно с помощью этих измерений происходит формирование и управление различными технологическими процессами, а также контролирование качества выпускаемой продукции. Подобные измерения нужны для самых различных потребностей в процессе развития научно-технического прогресса: и для учета материальных ресурсов и планирования, и для нужд внутренней и внешней торговли, и для проверки качества выпускаемой продукции, и для повышения уровня защиты труда любого работающего человека. Несмотря на многообразие природных явлений и продуктов материального мира, для их измерения существует такая же многообразная система измерений, основанных на очень существенном моменте – сравнении полученной величины с другой, ей подобной, которая однажды была принята за единицу. При таком подходе физическая величина расценивается как некоторое число принятых для нее единиц, или, говоря иначе, таким образом получается ее значение. Существует наука, систематизирующая и изучающая подобные единицы измерения, – метрология. Как правило, под метрологией подразумевается наука об измерениях, о существующих средствах и методах, помогающих соблюсти принцип их единства, а также о способах достижения требуемой точности.
Происхождение самого термина «метрология» возводя! к двум греческим словам: metron, что переводится как «мера», и logos – «учение». Бурное развитие метрологии пришлось на конец XX в. Оно неразрывно связано с развитием новых технологий. До этого метрология была лишь описательным научным предметом. Следует отметить и особое участие в создании этой дисциплины Д. И. Менделеева, которому подевалось вплотную заниматься метрологией с 1892 по 1907 гг… когда он руководил этой отраслью российской науки. Таким образом, можно сказать, что метрология изучает:
1) методы и средства для учета продукции по следующим показателям: длине, массе, объему, расходу и мощности;
2) измерения физических величин и технических параметров, а также свойств и состава веществ;
3) измерения для контроля и регулирования технологических процессов.
Выделяют несколько основных направлений метрологии:
1) общая теория измерений;
2) системы единиц физических величин;
3) методы и средства измерений;
4) методы определения точности измерений;
5) основы обеспечения единства измерений, а также основы единообразия средств измерения;
6) эталоны и образцовые средства измерений;
7) методы передачи размеров единиц от образцов средств измерения и от эталонов рабочим средствам измерения. Важным понятием в науке метрологии является единство измерений, под которым подразумевают такие измерения при которых итоговые данные получаются в узаконенных единицах, в то время как погрешности данных измерений получены с заданной вероятностью. Необходимость существования единства измерений вызвана возможностью сопоставления результатов различных измерений, которые были проведены в различных районах, в различные временные отрезки, а также с применением разнообразных методов и средств измерения.
Следует различать также объекты метрологии:
1) единицы измерения величин;
2) средства измерений;
3) методики, используемые для выполнения измерений и т. д.
Метрология включает в себя: во-первых, общие правила, нормы и требования, во-вторых, вопросы, нуждающиеся в государственном регламентировании и контроле. И здесь речь идет о:
1) физических величинах, их единицах, а также об их измерениях;
2) принципах и методах измерений и о средствах измерительной техники;
3) погрешностях средств измерений, методах и средствах обработки результатов измерений с целью исключения погрешностей;
4) обеспечении единства измерений, эталонах, образцах;
5) государственной метрологической службе;
6) методике поверочных схем;
7) рабочих средствах измерений.
В связи с этим задачами метрологии становятся: усовершенствование эталонов, разработка новых методов точных измерений, обеспечение единства и необходимой точности измерений.
2. Термины
Очень важным фактором правильного понимания дисциплины и науки метрология служат использующиеся в ней термины и понятия. Надо сказать, что, их правильная формулировка и толкование имеют первостепенное значение, так как восприятие каждого человека индивидуально и многие, даже общепринятые термины, понятия и определения он трактует по-своему, используя свой жизненный опыт и следуя своим инстинктам, своему жизненному кредо. А для метрологии очень важно толковать термины однозначно для всех, поскольку такой подход дает возможность оптимально и целиком понимать какое-либо жизненное явление. Для этого был создан специальный стандарт на терминологию, утвержденный на государственном уровне. Поскольку Россия на сегодняшний момент воспринимает себя частью мировой экономической системы, постоянно идет работа над унификацией терминов и понятий, создается международный стандарт. Это, безусловно, помогает облегчить процесс взаимовыгодного сотрудничества с высокоразвитыми зарубежными странами и партнерами. Итак, в метро логии используются следующие величины и их определения:
1) физическая величина, представляющая собой общее свойство в отношении качества большого количества физических объектов, но индивидуальное для каждого в смысле количественного выражения;
2) единица физической величины, что подразумевает под собой физическую величину, которой по условию присвоено числовое значение, равное единице;
3) измерение физических величин, под которым имеется в виду количественная и качественная оценка физического объекта с помощью средств измерения;
4) средство измерения, представляющее собой техническое средство, имеющее нормированные метрологические характеристики. К ним относятся измерительный прибор, мера, измерительная система, измерительный преобразователь, совокупность измерительных систем;
5) измерительный прибор представляет собой средство измерений, вырабатывающее информационный сигнал в такой форме, которая была бы понятна для непосредственного восприятия наблюдателем;
6) мера – также средство измерений, воспроизводящее физическую величину заданного размера. Например, если прибор аттестован как средство измерений, его шкала с оцифрованными отметками является мерой;
7) измерительная система, воспринимаемая как совокупность средств измерений, которые соединяются друг с другом посредством каналов передачи информации для выполнения одной или нескольких функций;
8) измерительный преобразователь – также средство измерений, которое производит информационный измерительный сигнал в форме, удобной для хранения, просмотра и трансляции по каналам связи, но не доступной для непосредственного восприятия;
9) принцип измерений как совокупность физических явлений, на которых базируются измерения;
10) метод измерений как совокупность приемов и принципов использования технических средств измерений;
11) методика измерений как совокупность методов и правил, разработанных метрологическими научно-исследовательскими организациями, утвержденных в законодательном порядке;
Метрология, стандартизация и сертификация
Глава 1 Метрология
§1 Объект и предмет метрологии
Метрология (от греч. «metron»– мера, «logos» – учение) – это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения единства измерений и методах и средствах обеспечения их требуемой точности.
Любая наука является состоявшейся, если она имеет свой объект, предмет и методы исследования. Предмет любой науки отвечает на вопрос ЧТО ей изучается.
Предметом метрологии является измерение свойств объектов (длины, массы, плотности и т.д.) и процессов (скорость протекания, интенсивность протекания и др.) с заданной точностью и достоверностью.
Объектом метрологии является физическая величина. (Понятие «физическая величина» будет рассмотрено в теме «Основные понятия и определения метрологии»). Объект науки может быть общим для ряда других наук.
Метрологию разделяют на три основных раздела: «Теоретическая метрология», «Прикладная (практическая) метрология» и «Законодательная метрология». Важнейшей задачей метрологии является обеспечение единства измерений. Понятие «единство измерений» будет рассмотрено в следующем параграфе.
§2 Основные понятия и определения метрологии
Мера – это средство измерения, предназначенное для воспроизведения ф.в. заданного размера.
Физическая величина – это одно из свойств физического объекта, общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого физического объекта.
Физические величины делятся на измеряемые и оцениваемые.
Измеряемые физические величины могут быть выражены количественно в установленных единицах измерения (единицах физической величины).
Оцениваемые физические величины это величины, для которых единицы измерений не могут быть введены. Их определяют при помощи установленных шкал.
Физические величины классифицируются по следующим видам явлений:
а) вещественные – они описывают физические и физико-химические свойства веществ, материалов и изделий из них;
б) энергетические – описывают энергетические характеристики процессов преобразования, передачи и поглощение (использование) энергии;
в) физические величины, характеризующие протекание процессов во времени. Единицей физической величины – называют физическую величину фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение равное единице, и которое применяется для количественного выражения однородных с ней физических
Различают основные и производные единицы физических величин. Для некоторых физических величин единицы устанавливаются произвольно, такие единицы физических величин называют основными. Производные единицы физических величин получают по формулам из основных единиц физических величин.
Система единиц физических величин – это совокупность основных и произ-
водных единиц физических величин, относящихся к некоторой системе величин. Так, в международной системе единиц СИ (Система Интернациональная) при-
нято семь основных единиц физических величин: единица времени – секунда (с), единица длины – метр (м), массы – килограмм (кг), единица силы электрического тока – ампер (А), термодинамической температуры – кельвин (К), силы света – кандела (кд) и единица количества вещества – моль (моль).
Эталон единицы физической величины – это средство измерения, предназна-
ченное для хранения и воспроизведения единицы физической величины с целью её передачи другим средствам измерений данной величины.
Понятие единство измерений характеризует состояние измерений, когда их результаты выражены в узаконенных единицах, а погрешности известны и не выходят за установленные пределы с заданной вероятностью.
Погрешность измерения – это отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины.
§2.1 Классификация погрешностей измерения
Погрешности классифицируются по следующим признакам: 1 По форме числового выражения а) абсолютные; б) относительные.
Например, вагон массой 50т измерен с абсолютной погрешностью ±50 кг, а в относительном выражении эта погрешность составит 0,1%.
2 По источникам возникновения а) инструментальные (обусловленные свойствами средств измерения твердо-
сти, геометрических параметров и т.д.); б) методические погрешности, возникающие в результате несовершенства
принятого метода измерений, при использовании эмпирических зависимостей (формула получена на основе эксперимента) и т.д.;
в) субъективные – погрешности оператора. 3 По характеру проявления
а) систематическая – такая погрешность в процессе измерения одной и той же ф.в. остается постоянной или изменяется по определенному закону при одинаковых условиях измерения, т.е. не меняются внешние условия измерения (температура, давление, влажность, уровень вибраций и др.), оператор, класс точности измерительного прибора, цена деления измерительного прибора;
– постоянная (присутствует все время на протяжении измерений);
– временная;
б) случайная – это погрешность, которая изменяется случайным образом при повторном измерении одной и той же величины в одних и тех же условиях. Случай-
ные погрешности, в отличие от систематических, изменяются хаотично по неизвестному закону.
§2.2 Эталоны единиц физических величин
Эталоны физических величин – это средство измерения, предназначенное для воспроизведения и хранения физической величины с целью ее передачи другим средствам измерения данной величины.
Все эталоны делятся на два больших вида:
1 Государственный первичный эталон. Он утвержден в качестве исходного для всей страны.
2 Вторичные эталоны, которые делятся на четыре группы:
А) Эталоны – свидетели. Они предназначены для замены государственного первичного эталона в случае его порчи или утраты.
Б) Эталоны – сравнения. Служат для сличения эталонов, которые по какимлибо причинам не могут непосредственно сличаться друг с другом.
В) Эталоны – копии. Используются для передачи размеров к рабочим этало-
Г) Рабочие эталоны. Применяются для контроля качества продукции, а также для поверки рабочих средств измерения.
§3 Измерение физических величин
Измерение – это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.
Истинное значение физической величины – это значение, идеально отражаю-
щее соответствующее свойство объекта, как в количественном, так и в качественном отношениях.
Действительное значение физической величины – это значение, найденное опытным путём и настолько приближенное к истинному, что для данной цели может быть принято вместо него.
Измеренное значение физической величины – это значение, полученное при из-
мерении с применением конкретных методов и средств измерений. Свойства измерений:
а) точность – это свойство измерений, отражающее близость их результатов к истинному значению измеряемой величины;
б) правильность – это свойство измерений, отражающее близость к нулю систематических погрешностей в их результатах. Результаты измерений правильны, когда они не искажены систематическими погрешностями;
в) сходимость – это свойство измерений, отражающее близость друг к другу результатов измерений, выполняемых в одинаковых условиях одним и тем же средством измерения одним и тем же оператором. Сходимость – важное качество для методики измерений;
г) воспроизводимость – это свойство измерений, отражающее близость друг к другу результатов измерений выполняемых в разных условиях, т.е. в разное время, в
разных местах, разными методами и средствами измерений. Воспроизводимость – важное качество при испытаниях готовой продукции.
§3.1 Классификация измерений
Измерения классифицируются по следующим признакам: 1 По физической сущности измеряемой величины 2 По характеристике точности
А) Равноточные измерения – это ряд измерений какой-либо физической величины выполненных при одинаковых условиях (одно и тоже средство измерения, параметры среды, один и тот же оператор и т.д.)
Б) Неравноточные измерения – это ряд измерений какой-либо физической величины выполненных либо разными по точности приборами, либо при разных условиях измерения.
3 По числу измерений А) Однократные измерения
Б) Многократные измерения – измерения одной и той же физической величины результат, которого получен из нескольких следующих друг за другом измерений.
4 По изменению измеряемой величины во времени А) Статические
Б) Динамические (при которых измеряемая величина изменяется во времени) 5 По метрологическому назначению А) Технические Б) Метрологические
6 По выражению результатов измерения А) Абсолютные – измеряемые в кг., м., Н и т.д.
Б) Относительные – измеряемые в долях или процентах.
7 По способу получения числового значения физической величины А) Прямые – это измерения, при которых искомое значение физической вели-
чины получают непосредственно.
Б) Косвенные – это измерения, при которых искомое значение физической величины получают на основании прямых измерений других физических величин.
В) Совместные измерения – одновременное измерение двух или нескольких не одноименных ФВ для определения зависимости между ними.
Г) Совокупные – это одновременное измерение нескольких одноименных физических величин, а искомое значение величин находят путем решения системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин.
§3.2 Методы измерения физических величин
Метод измерений – это приём или совокупность приёмов сравнения измеряемой физической величины с её единицей в соответствие с реализованным принципом измерений. Методы измерений определяются видом измеряемых величин, их размерами, требуемой точностью результата, требуемой быстротой процесса изме-
рения и прочими данными. В предыдущей теме перечислялись виды измерений по способу получения числового значения. Наибольшее распространение, на практике, получили прямые измерения из-за их простоты и скорости исполнения.
Прямые измерения можно производить следующим методами, которые можно разделить на две основных группы:
1 Метод непосредственной оценки – значение величины определяют непосредственно по отсчётному устройству мерительного прибора (силу тока по амперметру, массы – по циферблатным весам и т.д.).
2 Метод сравнения с мерой – измеряемую величину сравнивают с величиной воспроизводимой мерой (измерение массы рычажными весами с уравновешиванием гирями).
А) Дифференциальный метод – метод сравнения с мерой, при котором на измерительный прибор действует разность измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой (измерения, выполняемые при проверке мер длины сравнением с образцовой мерой на компараторе).
Б) Нулевой метод – метод сравнения с мерой, когда результирующий эффект воздействия на прибор сравнения доводят до нуля (измерение электрического сопротивления мостом с полным его уравновешиванием).
В) Метод совпадений – метод сравнения с мерой, при котором разность между измеряемой величиной и величиной воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадения отметок шкал прибора (измерение линейных размеров с помощью штангенциркуля).
Г) Метод замещения – метод сравнения с мерой, когда измеряемую величину замещают известной величиной воспроизводимой мерой (взвешивание с поочерёдным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашу весов).
§3.3 Понятие о средстве измерений
Средство измерений – это техническое средство или комплекс средств, предназначенное для измерений. Оно имеет нормированные метрологические характеристики, воспроизводящие или хранящие единицу физической величины.
Средство измерений должно реализовывать одну из следующих функций:
– воспроизводить величину заданного размера;
– вырабатывать сигнал, несущий информацию о значении измеряемой величи-
Такие сигналы могут любо непосредственно восприниматься органами чувств человека, либо проходить через вспомогательные (преобразующие приборы для этого).
Все средства измерений можно классифицировать по двум основным призна-
1 По метрологическому назначению средства измерения делятся на:
а) Рабочие средства измерения – применяются для проведения технических измерений.
– лабораторные (используются при научных исследованиях, при проектировании технических устройств, а также для проведения медицинских измерений);
– производственные (используются для контроля качества продукции на производстве и для контроля технологического процесса производства);
– полевые (используются непосредственно на всех видах транспорта).
б) Эталоны 2) По конструктивному исполнению средства измерения делятся на:
а) меры физической величины – это средства измерения, предназначенные для хранения и воспроизведения единицы физической величины
б) измерительные приборы – это средство измерения, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в заданных пределах. Прибор, как правило, содержит устройство для преобразования измерительной величины, а также индикацию в наиболее доступной для восприятия форме.
в) измерительные преобразователи – это средства измерений, предназначенные для преобразования измерений физической величины в другую величину удобную для переработки, хранения и, при необходимости, дальнейшего преобразования г) измерительная установка – это комплекс функционально объединенных мер, измерительных преобразователей, измерительных приборов и других устройств, предназначенных для измерения одной или нескольких физических величин. Как правило, этот комплекс располагается в одном месте, например испытательный
д) измерительная система – это совокупность функционально объединенных измерительных приборов, мер, измерительных преобразователей и других технических средств, размещенных в различных точках контролируемого пространства и предназначенных для измерения одной или нескольких физических величин
§3.4 Метрологические характеристики средств измерений и контроля
Эта характеристика одного из средств измерения влияющая на результат и его погрешность.
Рассмотрим наиболее часто встречающиеся метрологические характеристики средств измерений и контроля:
Цена деления шкалы прибора – это разность величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы. Она всегда указывается на шкале прибора.
Длина деления шкалы прибора – это фактическое расстояние между осями (центрами) соседних отметок шкалы прибора.
Начальное и конечное значение шкалы – наименьшее и наибольшее значение измеряемой величины, которые могут быть отсчитаны по шкале данного средства измерения.
Диапазон показаний средства измерений – это область значений шкалы прибо-
ра, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы. Существуют средства измерения, начальное значение которых не равно нулю (например, микрометрический нутромер).
Измерительное усилие – это усилие, возникающее в зоне контакта измерительного наконечника прибора с измеряемой поверхностью.
Перепад измерительного усилия – разность измерительного усилия при двух положениях указателя в пределах диапазона показаний.
Чувствительность – это способность средства измерения реагировать на изменения измеряемой величины. Определяется как отношение изменения выходного сигнала средств измерения к вызывающему его изменению измеряемой величины.
Порог чувствительности средств измерения – то наименьшее значение изме-
нения физической величины, с которого возможно начать измерение этой величины данным средством измерения.
Вариация показаний измерительного прибора – это разность показаний прибо-
ра в одной и той же точке диапазона показаний при плавном подходе к этой точке показывающего элемента (стрелки) со стороны больших и меньших значений измеряемой величины.
§4 Правовые основы метрологии
Главным законодательным актом, обеспечивающим единство измерений, является Закон РФ «Об обеспечении единства измерений». Этот Закон направлен на защиту прав граждан и их интересов, а также на защиту интересов экономики страны от отрицательных последствий недостоверных результатов измерений.
Единство измерений – характеристика качества измерений. Она заключается в том, что результаты измерений выражаются в установленных единицах, чьи размеры равны размерам воспроизводимых величин (с учетом погрешностей).
Закон определяет:
1) Основные метрологические понятия
2) Компетенцию Госстандарта России в обеспечении единства измерений
3) Единицы ФВ, государственные эталоны, средства и методики измерений
4) Компетенцию и структуру государственной метрологической службы
5) Метрологические службы государственных органов управления предприятий и организаций
6) Сферы распространения и виды государственного метрологического контроля и надзора
7) Права, обязанности и ответственность государственных инспекторов по обеспечению единства измерений
8) Закон определяет условия испытаний средств измерения
9) Требования к выполнению измерений по аттестованным методикам
10) Основные положения калибровки и сертификации средств измерения
11) Лицензирование деятельности организаций и физических лиц по изготовлению, ремонту, продаже и прокату средств измерений
12) Источники финансирования работ по обеспечению единства измерений
13) Ответственность за нарушение положений этого закона
Кроме того, законом об «Обеспечении единства измерений» определяются сферы деятельности, в которых соблюдение метрологических требований, обязательно и на которые распространяется государственный метрологический надзор:
– здравоохранение, ветеринария, охрана окружающей среды и обеспечение безопасности труда
– испытания и контроль качества продукции с целью определения соответствия обязательным требованием государственного стандарта РФ
– обеспечение обороны страны
– на обязательную сертификацию продукции и услуг
– на торговые операции и взаимные расчеты между покупателем и продавцом,
в том числе на операции с применением игровых автоматов
– государственные учетные операции
– измерения, проводимые по поручениям органов суда, прокуратуры и государственных органов управления РФ
– на продукцию, поставляемую по контрактам для государственных нужд
– на геодезические и гидрометрические измерения
– на банковские, налоговые, таможенные и почтовые операции
– на регистрацию национальных и международных рекордов
Государственная система обеспечения единства измерений состоит из нормативных документов устанавливающих правила и требования на достижение и поддержание единства измерений в РФ при требуемой точности.
§5 Метрологические службы, обеспечивающие единство измерений
Государственная метрологическая служба несет ответственность за метроло-
гическое обеспечение в стране на межотраслевом уровне и осуществляет государственный контроль и надзор в определенных законом сферах.
В состав государственной метрологической службы входят:
1 Государственные научные метрологические центры – органы государствен-
ной метрологической службы на территориях республик, областей, автономных округов, автономных областей, а также государственные метрологические службы городов Москвы и Санкт-Петербурга.
Государственные научные метрологические центры являются хранителями государственных эталонов. Они проводят исследования в области теории измерений, а также в области применения принципов и методов высокоточных измерений; занимаются разработкой научно-методических основ совершенствования Российской системы измерений; разрабатывают нормативные документы по обеспечению единства измерений.
2 Государственная служба времени, частоты и определения параметров вра-
щения Земли.
Государственная служба времени, частоты занимается межрегиональной и межотраслевой координацией работ по обеспечению единства измерений времени и частот, а также по определению параметров частот вращения Земли. Также она занимается хранением и передачей размеров единиц времени, шкал атомного всемирного и координатного времени, координат полюсов Земли. Измерительную информацию этой службы используют службы навигации и управления судами, самолетами и спутниками, а также единая измерительная служба России.
3 Государственная служба стандартных образцов состава и свойств ве- ществ и материалов
Государственная служба стандартных образцов состава и свойств веществ и материала организует создание и применение эталонных образцов состава и свойств веществ и материалов (металлов, сплавов, медицинских продуктов, мине-
рального сырья, почв и т.д.). Служба также разрабатывает средства сравнения стандартных образцов с характеристиками веществ и материалов, которые производятся промышленными, сельскохозяйственными и др. предприятиями для их идентификации и контроля.
4 Государственная служба стандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществ и материалов
Государственная служба стандартных справочных данных о физических кон- стантах и свойствах веществ и материалов обеспечивает разработку достоверных данных о физических константах, о свойствах веществ и материалах, а также о свойствах минерального сырья. Потребителями такой информации являются организации создающие новую технику к точности характеристик, которой предъявляют особо высокое требование.
§6 Передача размеров единиц физических величин
Передача размеров единиц физических величин – это приведение размеров еди-
ницы физической величины хранимой поверяемым средством измерения к размеру единицы ф.в., хранимой и воспроизводимой эталоном, осуществляемое при их поверке или калибровке. Размер передаётся от более точных средств измерений к менее точным.
Суть поверки и калибровки средств измерений заключается в нахождении погрешности средства измерения и установлении его пригодности к использованию.
Поверка средств измерений – это совокупность операций выполняемых государственной метрологической службой с целью определения и подтверждения соответствия средств измерений установленным техническим требованиям. Поверка носит обязательный характер, и проводиться в отношении средств измерений, которые применяются в установленных законом сферах (здравоохранение, охрана окружающей среды, обеспечение обороноспособности страны и т.д.)
Калибровка средств измерений – это комплекс операций осуществляемых с целью определения и подтверждения действительных характеристик средств измерения и пригодности к применению этих средств измерений (неподлежащие государственному контролю и надзору). Калибровка носит добровольный характер.
Сопоставление государственного эталона, вторичного эталона и рабочих средств измерений определено государственной поверочной схемой.
Поверочная схема – документ, устанавливающий средства (с помощью чего), методы (каким образом) и точность передачи размеров единиц от государственного эталона к рабочим средствам измерения.
Виды поверок средств измерения
В РФ применяются следующие виды поверки средств измерения:
а) первичная поверка, ей подлежат средства измерений при выпуске из производства после ремонта, а также средства измерений ввозимые по импорту.
б) периодическая поверка, такой поверке подлежат средства измерения находящиеся в эксплуатации или на хранении.
в) внеочередная поверка, осуществляется при эксплуатации и хранении в сле-
дующих случаях:
– повреждение поверительного клейма;
– утрата свидетельства о поверке;
– ввод в эксплуатацию средства измерения, длительное время находящегося на хранении (длительность определяется государственной метрологической службой);
– неудовлетворительная работа прибора.
г) инспекционная поверка, ее проводят для подтверждения пригодности к применению средств измерений. При проведении государственного метрологического надзора.
д) экспертная поверка, производиться при возникновении спорных вопросов по метрологическим характеристикам средств измерений, их исправности и пригодности к применению.
§7 Государственный метрологический контроль и надзор за средствами изме-
Государственный метрологический контроль и надзор – это деятельность,
осуществляемая органами государственной метрологической службы по проверке юридических лиц на соответствие Закону «Об обеспечении единства измерений» и требованиям государственных стандартов и другим нормативным документам в области метрологии.
Государственный метрологический контроль осуществляется путем:
– калибровки средств измерений
– надзор за состоянием и применением средств измерений, за выполнением методик измерений и контроль мер применяемых при калибровке (контроль эталонов)
– выдача обязательных предписаний с целью устранения нарушений метрологических правил и норм
– проверка своевременности представления средств измерений на испытания для утверждения типа средств измерений, а также на поверку или калибровку
Государственный метрологический контроль включает:
1 Утверждение типа средств измерений необходимо для постановки на про-
изводство и выпусков в обращение новых типов средств измерений или при их ввозе по импорту. Процедура утверждения типа предусматривает обязательные испытания средств измерений. Принятие решения об утверждении типа, ее государственную регистрацию и выдачу сертификата об утверждении типа средства измерения. На средство измерения утвержденного типа наноситься специальное клеймо.
2 Поверка средств измерения, в том числе эталонов осуществляется органами государственного метрологического контроля и надзора РФ. В отличие от процедуры утверждения типа средства измерения, в котором участвует только одно средство измерения представляющее тип, поверке подлежит каждое средство измерения.
3 Согласно закону об обеспечении единства измерений деятельность по изготовлению, ремонту, продаже и прокату средств измерений должна подвергаться ли- цензированию органами государственной метрологической службы.
Лицензия – это документально оформленное решение, выдаваемое органами
Днепропетровский государственный технический университет железнодорожного транспорта
Кафедра теплотехники
Арестов А.П.
Конспект лекций по дисциплине «Метрология и стандартизация».
Часть 1. Метрология.
Днепропетровск – 1998
1.Предмет и задачи метрологии.
1.1 Основные термины, применяемые в метрологии.
Термин «метрология» произошел от греческих слов: метрос – мера, логос – учение, слово. В современном понимании это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. К основным направлениям метрологии относятся: общая теория измерений; единицы физических величин и их системы; методы и средства измерений; методы определения точности измерений; основы обеспечения единства измерений и единообразия средств измерения; эталоны и образцовые средства измерений; методы передачи размеров единиц от эталонов и образцовых средств измерений рабочим средствам измерений. Часть из них имеют научный характер. Другая часть относится к законодательной метрологии. Законодательный характер метрологии обуславливает стандартизацию ее терминов и определений.
Физическая величина – свойство, общее в качественном отношении многим физическим объектам, но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта.
Измерение – нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Под измерением понимается процесс экспериментального сравнения данной физической величины с однородной физической величиной, значение которой принято за единицу.
Единица физической величины – физическая величина, которой по определению присвоено значение, равное 1.
Единицы физической величины представляют собой вспомогательный аппарат, применимый при изучении объектов природы. Принципиально можно представить бесконечное множество единиц физических величин. Но практика выдвигает требование единства измерений, которое можно обеспечить при любой системе единиц. Однако для сопоставления результатов измерений без пересчетов (при переходе от одной системы единиц к другой) необходимо, чтобы результаты измерений выражались в узаконенных единицах.
Единство измерений – состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности измерений известны с заданной вероятностью. Как ясно из определения, это понятие включает не только выполнение условия единства используемых единиц физических величин, но и значение погрешности измерения.
Средство измерений – техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические свойства. По техническому назначению средства измерений подразделяются на меры, измерительные приборы, измерительные преобразователи, вспомогательные средства измерений, измерительные установки и измерительные системы.
Мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера (кварцевый генератор является мерой частоты электрических колебаний). Мера, воспроизводящая ряд одноименных величин различного размера, называется многозначной (конденсатор постоянной емкости выполняет роль однозначной меры, а конденсатор переменной емкости – многозначной). Часто используется набор мер – специально подобранный комплект мер, применяемых не только отдельно, но и в различных сочетаниях для воспроизведения ряда одноименных величин различного размера.
Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Измерительные приборы бывают аналоговые и цифровые, показывающие и регистрирующие.
Измерительный преобразователь – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем. Первичным называется преобразователь, являющийся первым в электрической цепи и к которому непосредственно подводится измеряемая величина. Передающий измерительный преобразователь предназначен для дистанционной передачи сигнала измерительной информации; масштабный измерительный преобразователь – для изменения измеряемой величины в заданное число раз.
Вспомогательное средство измерений – средство измерения величин, влияющих на метрологические свойства другого средства измерений при его применении. Эти средства применяют для контроля за поддержанием значений влияющих величин в заданных пределах.
Измерительная установка – совокупность функционально объединенных средств измерений (мер, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной (для автоматической обработки, передачи и использования в АСУ) для непосредственного восприятия наблюдателем и расположенная в одном месте.
Измерительная система – совокупность средств измерений (мер, И.П., И.Пр.) и вспомогательных устройств соединенных между собой каналами связи, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме удобной для автоматической обработки, передачи и использования в АСУ.
1.2 Классификация измерений.
По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения делятся на статические и динамические.
Статические измерения соответствуют случаю, когда измеряемая величина остается постоянной.
Динамические – когда измеряемая величина изменяется.
По способам получения результатов различают прямые, косвенные, совокупные и совместные измерения.
Прямыми называются измерения, при которых искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных. При этом измеряемую величину сравнивают с мерой измерительными приборами, градуированными в требуемых единицах (сила тока – А – метром).
При косвенных измерениях искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. Косвенные измерения широко распространены в тех случаях, когда искомую величину невозможно или сложно измерить непосредственно или когда прямое измерение дает менее точный результат.
При совокупных измерениях одновременно измеряют несколько однотипных величин и искомые значения величин находят решая систему уравнений, полученных при прямых измерениях различных сочетаний этих величин.
Совместные измерения – производимые одновременно измерения двух или нескольких одноименных величин для нахождения зависимости между ними.
По способу выражения результатов измерений различают абсолютные и относительные измерения.
Абсолютное измерение основано на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значений физических констант (измерение напряжения в Вольтах).
Относительным называется измерение отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или изменения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.
По используемому методу измерения – совокупности приемов использования принципов и средств измерений различают:
Метод непосредственной оценки, в котором значение величины определяется непосредственно по отсчетному устройству измерительного преобразователя прямого действия.
Метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Этот метод имеет следующие модификации: противопоставления, дифференциальный, нулевой, замещения, совпадений.
Метод противопоставления – измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения с помощью которого устанавливаются соотношения между этими величинами.
Метод дифференциальный – на измерительный прибор воздействует разность измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой.
Метод нулевой – результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля.
Метод замещения – измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой.
Метод совпадений – разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадения отметок шкал или периодических сигналов.
1.3 Основные характеристики измерений.
Принцип измерений – физическое явление или совокупность физических явлений, положенных в основу измерений.
Погрешность измерений – отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины.
Истинное значение физической величины идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующие свойства объекта, но оно остается неизвестным, поэтому с помощью измерений находят такое действительное значение, настолько приближающееся к истинному, что для данной цели может быть использовано вместо него.
Точность измерения – качество измеряемой величины, отражающее близость к нулю систематической погрешностей результатов (т.е. таких погрешностей, которые остаются постоянными или закономерно изменяются при повторных измерениях одной и той же величины). Правильность измерений зависит от того, насколько были верны средства измерений, используемые при эксперименте.
Достоверность измерения – степень доверия к результатам измерений. Измерения для которых известны вероятные характеристики отклонения результатов от истинного значения относятся к достоверным. Наличие погрешности ограничивает достоверность измерений, так как вносит ограничение в число достоверных значащих цифр числового значения измеряемой величины и определяет точность измерений.
Главная > КонспектМетрология, стандартизация и сертификация
(конспект лекций) источник /authors/avtor-neizvesten-3/metrology.html 1. Общие вопросы основ метрологии и измерительной техники В практической жизни человек всюду имеет дело с измерениями. На каждом шагу встречаются измерения таких величин, как длина, объем, вес, время и др. Измерения являются одним из важнейших путей познания природы человеком. Они дают количественную характеристику окружающего мира, раскрывая человеку действующие в природе закономерности. Все отрасли техники не могли бы существовать без развернутой системы измерений, определяющих как все технологические процессы, контроль и управление ими, так и свойства и качество выпускаемой продукций. Отраслью науки, изучающей измерения, является метрология. Слово "метрология" образовано из двух греческих слов: метрон - мера и логос - учение. Дословный перевод слова "метрология" - учение о мерах. Долгое время метрология оставалась в основном описательной наукой о различных мерах и соотношениях между ними. С конца 19-го века благодаря прогрессу физических наук метрология получила существенное развитие. Большую роль в становлении современной метрологии как одной из наук физического цикла сыграл Д. И. Менделеев, руководивший отечественной метрологией в период 1892 - 1907 гг. В соответствии с ГОСТ 16263-70 «Метрология. Термины и определения»: метрология – это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Единство измерений - такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности измерений известны с заданной вероятностью. Единство измерений необходимо для того, чтобы можно было сопоставить результаты измерений, выполненных в разных местах, в разное время, с использованием разных методов и средств измерений. Точность измерений характеризуется близостью их результатов к истинному значению измеряемой величины. Точность – величина, обратная погрешности (о ней речь пойдет ниже). Измерительная техника – это практическая, прикладная область метрологии. Измеряемыми величинами, с которыми имеет дело метрология, являются физические величины, т. е. величины, входящие в уравнения опытных наук (физика, химия и др.), занимающихся познанием мира эмпирическим (т. е. опытным) путем. Метрология проникает во все науки и дисциплины, имеющие дело с измерениями, и является для них единой наукой. Основные понятия, которыми оперирует метрология, следующие: - физическая величина; - единица физической величины; - система единиц физических величин; - размер единицы физической величины (передача размера единицы физической величины); - средства измерений физической величины; - эталон; - образцовое средство измерений; - рабочее средство измерений; - измерение физической величины; - метод измерений; - результат измерений; - погрешность измерений; - метрологическая служба; - метрологическое обеспечение и т. д. Дадим определения некоторым основным понятиям: Физическая величина – характеристика одного из свойств физического объекта (явления или процесса), общая в качественном отношений для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальная для каждого объекта (т. е. значение физической величины может быть для одного объекта в определенное число раз больше или меньше, чем для другого). Например»: длина, время, сила электрического тока. Единица физической величины – физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение равное 1, и применяемое для количественного выражения однородных физических величин. Например: 1 м – единица длины, 1 с – времени, 1А – силы электрического тока. Система единиц физических величин – совокупность основных и производных единиц физических величин, образованная в соответствии с принятыми принципами для заданной системы физических величин. Например: Международная система единиц (СИ), принятая в 1960 г. В системе единиц физических величин выделяют основные единицы системы единиц (в СИ – метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин). Из сочетания основных единиц образуются производные единицы (скорости - м/с, плотности – кг/м 3). Путем добавления к основным единицам установленных приставок, образуются кратные (например - километр) или дольные (например - микрометр) единицы. Исторически первой системой единиц физических величин была принятая в 1791 г. Национальным собранием Франции метрическая система мер. Она не являлась еще системой единиц в современном понимании, а включала в себя единицы длин, площадей, объемов, вместимостей и веса, в основу которых были положены две единицы: метр и килограмм. В 1832 г. немецкий математик К. Гаусс предложил методику построения системы единиц как совокупности основных и производных. Он построил систему единиц, в которой за основу были приняты три произвольные, независимые друг от друга единицы - длины, массы и времени. Все остальные единицы можно было определить с помощью этих трех. Такую систему единиц, связанных определенным образом с тремя основными, Гаусс назвал абсолютной системой. За основные единицы он принял миллиметр, миллиграмм и секунду. В дальнейшем с развитием науки и техники появился ряд систем единиц физических величин, построенных по принципу, предложенному Гауссом, базирующихся на метрической системе мер, но отличающихся друг от друга основными единицами. Рассмотрим главнейшие системы единиц физических величин. Система СГС. Система единиц физических величин СГС, в которой основными единицами являются сантиметр как единица длины, грамм как единица массы и секунда как единица времени, была установлена в 1881 г. Система МКГСС. Применение килограмма как единицы веса, а в последующем как единицы силы вообще, привело в конце XIX века к формированию системы единиц физических величин с тремя основными единицами: метр - единица длины, килограмм-сила - единица силы и секунда - единица времени. Система МКСА. Основы этой системы были предложены в 1901 г. итальянским ученым Джорджи. Основными единицами системы МКСА являются метр, килограмм, секунда и ампер. Наличие ряда систем единиц физических величин, а также значительного числа внесистемных единиц, неудобства, связанные с пересчетом при переходе от одной системы единиц к другой, требовало унификации единиц измерений. Рост научно-технических и экономических связей между разными странами обусловливал необходимость такой унификации в международном масштабе. Требовалась единая система единиц физических величин, практически удобная и охватывающая различные области измерений. При этом она должна была сохранить принцип когерентности (равенство единице коэффициента пропорциональности в уравнениях связи между физическими величинами). В 1954 г. Х Генеральная конференция по мерам и весам установила шесть основных единиц (метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, кандела + моль). Система, основанная на утвержденных в 1954 г. шести основных единицах, была названа Международной системой единиц, сокращенно СИ (SI - начальные буквы французского наименования Systeme International). Был утвержден перечень шести основных, двух дополнительных и первый список двадцати семи производных единиц, а также приставки для образования кратных и дольных единиц. В РФ система СИ регламентируется ГОСТом 8.417-81. Размер единицы физической величины – количественная определенность единицы физической величины, воспроизводимой или хранимой средством измерений. Размер основных единиц СИ устанавливается определением этих единиц Генеральными конференциями по мерам и весам (ГКМВ). Так, в соответствии с решением XIII ГКМВ, единица термодинамической температуры, кельвин, установлена равной 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды. Воспроизведение единиц осуществляется национальными метрологическими лабораториями при помощи национальных эталонов . Отличие размера единицы, воспроизводимой национальным эталоном от размера единицы по определению ГКМВ устанавливается при международных сличениях эталонов. Размер единицы, хранимой образцовым (ОСИ) или рабочим (РСИ) средствами измерений, может быть установлен по отношению к национальному первичному эталону. При этом может быть несколько ступеней сравнения (через вторичные эталоны и ОСИ). Измерение физической величины – совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, заключающихся в сравнении (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей с целью получения этой величины в форме, наиболее удобной для использования. Принцип измерений – физическое явление или эффект, положенное в основу измерений тем или иным типом средств измерений. Примеры: - применение эффекта Доплера для измерения скорости; - применение эффекта Холла для измерения индукции магнитного поля; - использование силы тяжести при измерении массы взвешиванием. Виды измерений По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения разделяются на: статические , при которых измеряемая величина остается постоянной во времени; динамические , в процессе которых измеряемая величина изменяется и является непостоянной во времени. Статическими измерениями являются, например, измерения размеров тела, постоянного давления, электрических величин в цепях с установившемся режимом, динамическими - измерения пульсирующих давлений, вибраций, электрических величин в условиях протекания переходного процесса. По способу получения результатов измерений их разделяют на: прямые; косвенные; совокупные; совместные. Прямые - это измерения, при которых искомое значение физической величины находят непосредственно из опытных данных. Прямые измерения можно выразить формулой , где - искомое значение измеряемой величины, а - значение, непосредственно получаемое из опытных данных. При прямых измерениях экспериментальным операциям подвергают измеряемую величину, которую сравнивают с мерой непосредственно или же с помощью измерительных приборов, градуированных в требуемых единицах. Примерами прямых служат измерения длины тела линейкой, массы при помощи весов и др. Косвенные - это измерения, при которых искомую величину определяют на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям, т.е. измеряют не собственно определяемую величину, а другие, функционально с ней связанные. Значение измеряемой величины находят путем вычисления по формуле , где - функциональная зависимость, которая заранее известна, - значения величин, измеренных прямым способом. Примеры косвенных измерений: определение объема тела по прямым измерениям его геометрических размеров, нахождение удельного электрического сопротивления проводника по его сопротивлению, длине и площади поперечного сечения. Косвенные измерения широко распространены в тех случаях, когда искомую величину невозможно или слишком сложно измерить непосредственно или когда прямое измерение дает менее точный результат. Роль их особенно велика при измерении величин, недоступных непосредственному экспериментальному сравнению, например размеров астрономического или внутриатомного порядка. Совокупные - это производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомую величину определяют решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин. Примером совокупных измерений является определение массы отдельных гирь набора (калибровка по известной массе одной из них и по результатам прямых сравнений масс различных сочетаний гирь). Совместные - это производимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для нахождения зависимостей между ними. В качестве примера можно назвать измерение электрического сопротивления при 20 0 С и температурных коэффициентов измерительного резистора по данным прямых измерений его сопротивления при различных температурах. Методы измерений Метод измерения – это способ экспериментального определения значения физической величины, т. е. совокупность используемых при измерениях физических явлений и средств измерений.
= х и - х
Относительная погрешность измерения – это отношение абсолютной погрешности к действительному (истинному) значению измеряемой величины (часто выраженное в процентах): = ( / х и ) 100%
Приведенная погрешность – это выраженное в процентах отношение абсолютной погрешности к нормирующему значению L – условно принятому значению физической величины, постоянному во всем диапазоне измерений: = ( / L ) 100%
Для приборов с нулевой отметкой на краю шкалы нормирующее значение L
равно конечному значению диапазона измерений. Для приборов с двухсторонней шкалой, т. е. с отметками шкалы, расположенными по обе стороны от нуля значение L
равно арифметической сумме модулей конечных значений диапазона измерения. Погрешность измерения (результирующая погрешность) является суммой двух составляющих: систематической погрешности
и случайной погрешности
. Систематическая погрешность
– это составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же величины. Причинами появления систематической погрешности могут являться неисправности средств измерений, несовершенство метода измерений, неправильная установка измерительных приборов, отступление от нормальных условий их работы, особенности самого оператора. Систематические погрешности в принципе могут быть выявлены и устранены. Для этого требуется проведение тщательного анализа возможных источников погрешностей в каждом конкретном случае. Систематические погрешности подразделяются на методические
, инструментальные
и субъективные
. Методические погрешности
происходят от несовершенства метода измерения, использования упрощающих предположений и допущений при выводе применяемых формул, влияния измерительного прибора на объект измерения. Например, измерение температуры с помощью термопары может содержать методическую погрешность, вызванную нарушением температурного режима объекта измерения вследствие внесения термопары. Инструментальные погрешности
зависят от погрешностей применяемых средств измерения. Неточность градуировки, конструктивные несовершенства, изменения характеристик прибора в процессе эксплуатации и т. д. являются причинами основных погрешностей
инструмента измерения. Дополнительные погрешности
, связанные с отклонением условий, в которых работает прибор, от нормальных, отличают от инструментальных (ГОСТ 8.009-84), т. к. они связаны скорее с внешними условиями, чем с самим прибором. Субъективные погрешности
вызываются неправильными отсчетами показаний прибора человеком (оператором). Например, погрешность от параллакса, вызванная неправильным направлением взгляда при наблюдении за показаниями стрелочного прибора. Использование цифровых приборов и автоматических методов измерения позволяет исключить такого рода погрешности. Во многих случаях систематическую погрешность в целом можно представить как сумму двух составляющих аддитивной
а
и мультипликативной
м
.
Такой подход позволяет легко скомпенсировать влияние систематической погрешности на результат измерения путем введения раздельных поправочных коэффициентов для каждой из этих двух составляющих. Случайная погрешность
– это составляющая погрешности измерения, изменяющаяся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины. Наличие случайных погрешностей выявляется при проведении ряда измерений постоянной физической величины, когда оказывается, что результаты измерений не совпадают друг с другом. Часто случайные погрешности возникают из-за одновременного действия многих независимых причин, каждая из которых в отдельности слабо влияет на результат измерения. Во многих случаях влияние случайных погрешностей можно уменьшить путем выполнения многократных измерений с последующей статистической обработкой полученных результатов. В некоторых случаях оказывается, что результат одного измерения резко отличается от результатов других измерений, выполненных при тех же контролируемых условиях. В этом случае говорят о грубой погрешности
(промахе измерения). Причиной могут послужить ошибка оператора, возникновение сильной кратковременной помехи, толчок, нарушение электрического контакта и т. д. Такой результат, содержащий грубую погрешность необходимо выявить, исключить и не учитывать при дальнейшей статистической обработке результатов измерений. Класс точности средства измерений
– обобщенная характеристика средства измерений, определяемая пределами допускаемых основных и дополнительных погрешностей. Класс точности выбирается из ряда (1; 1,5; 2; 2,5; 4; 5; 6)*10 n , где n = 1; 0; -1; -2 и т. д. Класс точности может выражаться одним числом или дробью (если аддитивная и мультипликативная погрешности сопоставимы – например, 0,2/0,05 – адд./мульт.). Поверка средств измерения
В основе обеспечения единообразия средств измерений лежит система передачи размера единицы измеряемой величины. Технической формой надзора за единообразием средств измерений является государственная (ведомственная) поверка средств измерений
, устанавливающая их метрологическую исправность. Поверка
- определение метрологическим органом погрешностей средства измерений и установление его пригодности к применению. Пригодным к применению в течение определенного межповерочного интервала времени признают те СИ, поверка которых подтверждает их соответствие метрологическим и техническим требованиям к данному СИ. Средства измерений подвергают первичной, периодической, внеочередной, инспекционной и экспертной поверкам.
Первичной поверке подвергаются СИ при выпуске из производства или ремонта, а также СИ, поступающие по импорту.
Периодической поверке подлежат СИ, находящиеся в эксплуатации или на хранении через определенные межповерочные интервалы, установленные с расчетом обеспечения пригодности к применению СИ на период между поверками.
Инспекционную поверку производят для выявления пригодности к применению СИ при осуществлении госнадзора и ведомственного метрологического контроля за состоянием и применением СИ.
Экспертную поверку выполняют при возникновении спорных вопросов по метрологическим характеристикам (MX), исправности СИ и пригодности их к применению.
Достоверная передача размера единиц во всех звеньях метрологической цепи от эталонов или от исходного образцового средства измерений к рабочим средствам измерений производится в определенном порядке, приведенном в поверочных схемах
. Поверочная схема
– это утвержденный в установленном порядке документ, регламентирующий средства, методы и точность передачи размера единицы физической величины от государственного эталона или исходного образцового средства измерений рабочим средствам. Различают государственные, ведомственные и локальные поверочные схемы органов государственной или ведомственных метрологических служб. Поверке подвергаются СИ, выпускаемые из производства и ремонта, получаемые из-за рубежа, а также находящиеся в эксплуатации и хранении. Основные требования к организации и порядку проведения поверки СИ установлены ГОСТ 8.513-84. Основополагающие документы по обеспечению единства измерений
ГОСТ Р 8.000-2000 ГСИ - Основные положения
ГОСТ 8.001-80 ГСИ - Организация и порядок проведения государственных испытаний средств измерений
ГОСТ 8.002-86 ГСИ - Государственный надзор и ведомственный контроль за средствами измерений
ГОСТ 8.009-84 ГСИ - Нормируемые метрологические характеристики средств измерений
ГОСТ 8.050-73 ГСИ - Нормальные условия выполнения линейных и угловых измерений
ГОСТ 8.051-81 ГСИ - Погрешности, допускаемые при измерении линейных размеров до 500 мм
ГОСТ 8.057-80 ГСИ - Эталоны единиц физических величин. Основные положения
ГОСТ 8.061-80 ГСИ - Поверочные схемы. Содержание и построение
ГОСТ 8.207-76 ГСИ - Прямые построения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений. Основные положения
ГОСТ 8.256-77 ГСИ - Нормирование и определение динамических характеристик аналоговых средств измерений. Основные положения
ГОСТ 8.310-90 ГСИ - Государственная служба стандартных справочных данных. Основные положения
ГОСТ 8.372-80 ГСИ - Эталоны единиц физических величин. Порядок разработки, утверждения, регистрации, хранения и применения
ГОСТ 8.315-97 ГСИ - Стандартные образцы состава и свойств веществ и материалов. Основные положения
ГОСТ 8.381-80 ГСИ - Эталоны. Способы выражения погрешностей
ГОСТ 8.383-80 ГСИ - Государственные испытания средств измерений. Основные положения
ГОСТ 8.395 ГСИ - Нормальные условия измерений при поверке. Общие требования
ГОСТ 8.401-80 ГСИ - Классы точности средств измерений. Общие требования
ГОСТ 8.417-81 ГСИ - Единицы физических величин
ГОСТ 8.430-88 ГСИ - Обозначения единиц физических величин для печатающих устройств с ограниченным набором знаков
ГОСТ 8.508-84 ГСИ - Метрологические характеристики средств измерений и точностные характеристики средств автоматизации ГСП. Общие методы оценки и контроля
ГОСТ 8.513-84 ГСИ - Поверка средств измерений. Организация и порядок проведения
ГОСТ 8.525-85 ГСИ - Установка высшей точности для воспроизведения единиц физических величин. Порядок разработки аттестации, регистрации, хранения и применения
ГОСТ 8.549-86 ГСИ - Погрешности, допускаемые при измерении линейных размеров до 50 мм с неуказанными допусками
ГОСТ Р 8.563-96 ГСИ - Методики выполнения измерений
ГОСТ 8.566-99 ГСИ - Межгосударственная система данных о физических константах и свойствах веществ и материалов. Основные положения
ГОСТ Р 8.568-97 ГСИ - Аттестация испытательного оборудования. Основные положения
Электрические измерения
Электромеханические измерительные приборы
Структурную схему аналогового электромеханического прибора в общем виде можно представить как: 
Измерительная цепь – обеспечивает преобразование электрической величины Х в промежуточную электрическую величину Y, функционально связанную с величиной Х и пригодную для непосредственной обработки измерительным механизмом. Измерительный механизм – основная часть прибора, предназначенная для преобразования электромагнитной энергии в механическую, необходимую для создания угла поворота a. 
Отсчетное устройство – состоит из указателя, связанного с измерительным механизмом и шкалы. По типу измерительного механизма приборы делятся на: магнитоэлектрический механизм; магнитоэлектрический механизм логометрического типа; электромагнитный механизм; электромагнитный механизм логометрического типа; электромагнитный поляризованный механизм; электродинамический механизм; электродинамический механизм логометрического типа; ферродинамический механизм; ферродинамический механизм логометрического типа; электростатический механизм: измерительный механизм индукционного типа. Общие технические требования ко всем электроизмерительным приборам нормируются ГОСТ 22261-82. Условные обозначения определены в ГОСТ 23217-78. Магнитоэлектрические измерительные приборы
Общее устройство прибора электромагнитного типа показано на рисунке: 
| a | б |
Электродинамический измерительный механизм работает по принципу взаимодействия магнитных потоков двух катушек. Электродинамический механизм состоит из двух катушек. Одна из них подвижная, а другая укреплена неподвижно. Токи, протекающие по этим катушкам и магнитные потоки ими образуемые при своем взаимодействии создают вращающий момент. Приборы электродинамической системы имеют малую чувствительность и большое самопотребление. Применяются в основном при токах 0.1…10А и напряжениях до 300 В. Ферродинамические приборы
Ферродинамическими называются приборы, у которых неподвижная катушка электродинамического механизма намотана на магнитопроводе. Это защищает от внешних электромагнитных полей и создает больший вращающий момент, т. е. повышается чувствительность. Электромагнитные измерительные приборы
Устройство измерительного механизма электромагнитного типа показано на рисунке: 
В электромагнитных измерительных механизмах для создания вращающего момента используется действие магнитного поля катушки с током на подвижный ферромагнитный (чаще пермоллоевый) лепесток. Достоинства электромагнитных механизмов: пригодность для работы в цепях постоянного и переменного тока; большая перегрузочная способность; возможность непосредственного измерения больших токов и напряжений; простота конструкции. Недостатки электромагнитных механизмов: неравномерная шкала; невысокая чувствительность; большое самопотребление мощности; подверженность влиянию изменения частоты; подверженность влиянию внешних магнитных полей и температуры. Электростатические измерительные приборы
Схемы механизмов различных конструкций показаны на рисунке. На рисунке а приведена схема с изменяющейся площадью электродов, а на рисунке б- с изменяющимся расстоянием между электродами. 
Принцип действия электростатического измерительного механизма основан на взаимодействии сил, возникающих между двумя разнозаряженными пластинами. Достоинства электростатических приборов: высокое входное сопротивление, малую входную емкость, малую мощность самопотребления, широкий частотный диапазон, могут использоваться в цепях переменного и постоянного тока, показания не зависят от формы кривой измеряемого сигнала. Недостатки электростатических приборов: приборы имеют малую чувствительность и невысокую точность. Индукционные измерительные приборы
На основе индукционного измерительного механизма выполняются, как правило, счетчики электрической энергии. Устройство и векторная диаграмма прибора индукционной системы показаны на рисунке: 
Механизм состоит из двух индукторов выполненных в виде стержневого и П-образного индукторов, между которыми находится подвижный неферромагнитный (алюминиевый) диск. На индукторах намотаны обмотки, по которым протекают соответственно токи I1 и I2, возбуждающие магнитные потоки Ф1 и Ф2. С осью диска связан счетный механизм, который считает число оборотов диска. Для предотвращения холостого вращения диска (для предотвращения самохода) в непосредственной близости от него укреплен постоянный магнит (тормозной магнит). Если катушку 1 включить параллельно источнику энергии, а катушку 2 последовательно потребителю, тогда получим однофазный счетчик электрической энергии. Совокупность двух или трех однофазных измерительных механизмов образуют трехфазный счетчик. Достоинства приборов индукционной системы: большой вращающий момент, малое влиянию внешних магнитных полей, большую перегрузочную способность. Недостатки приборов индукционной системы: невысокая точность, большое самопотребление, зависимость показаний от частоты и температуры. В последние годы электромеханические измерительные приборы почти повсеместно вытесняются цифровыми. Измерение параметров электрических сигналов
Измерение напряжения При данном виде измерений применяют схему с дополнительным резистором..
Осуществляется в диапазоне частот 0-10 9 Гц (при более высоких частотах напряжение перестает быть информативным параметром). Напряжение постоянного тока от долей милливольт до сотен вольт часто измеряют магнитоэлектрическими вольтметрами (класс точности до 0,05). Основной недостаток – низкое входное сопротивление, определяемое величиной добавочного сопротивления (десятки кОм). От этого недостатка свободны электронные аналоговые вольтметры . Их выходное сопротивление составляет десятки кОм. Ими можно измерять сопротивления от единиц мкВ до нескольких кВ. Основные источники погрешностей здесь: нестабильность элементов и собственные шумы электронных схем. Класс точности таких приборов – до 1,5. И магнитоэлектрическим и электронным вольтметрам присуща температурная погрешность, а также механические погрешности измерительного механизма и погрешности шкалы. Точные измерения напряжения постоянного тока производятся при помощи компенсаторов постоянного тока (см. тему "Метод замещения" в разделе "Методы измерений"). Точность измерения при этом достигает 0,0005 %. Среднеквадратическое (действующее) значение переменного тока измеряется электромагнитными (до 1-2 кГц), электродинамическими (до 2-3 кГц), ферродинамическими (до 1-2 кГц), электростатическими (до 10МГц) и термоэлектрическими (до 100 Мгц) приборами. Отличие формы измеряемого напряжения от синусоидальной иногда может приводить к большим погрешностям. Наиболее удобными в эксплуатации приборами являются цифровые вольтметры. Они могут измерять как постоянные, так и переменные напряжения. Класс точности – до 0,001, диапазон – от единиц микровольт до нескольких киловольт. Современные микропроцессорные ЦВ снабжены клавиатурой и часто позволяют производить измерения не только напряжения, но и тока, сопротивления и т. д., т. е. являются многофункциональными измерительными приборами – тестерами (мультиметрами или авометрами) . Измерение тока При данном виде измерений применяют схему с шунтированием.
В остальном, все сказанное применительно к измерению напряжения, справедливо и для измерений тока. Измерение электрической мощности Осуществляется в цепях постоянного и переменного тока при помощи электродинамических и ферродинамических ваттметров. Изменение пределов достигается коммутацией секций токовой катушки и подключением различных добавочных резисторов. Частотный диапазон: от 0 до 2-3 кГц. Класс точности: 0,1-0,5 для электродинамических и 1,5– 2,5 для ферромагнитных. Мощность также может измеряться косвенно, при помощи амперметра и вольтметра с последующим перемножением результатов. На этом же принципе основано действие цифровых ваттметров. Существуют модификации ваттметров для измерения мощности в трехфазных цепях. Измерение электрической энергии Осуществляется в основном индукционными измерительными приборами. В последние годы широкое распространение получили цифровые счетчики энергии, основанные на принципе амперметра-вольтметра с последующим интегрированием результата перемножения по времени.
Измерение параметров электрических цепей
Измерительные мосты Одинарные мосты постоянного тока предназначены для измерения сопротивлений величиной от 10 Ом и более. Схема одинарного моста приведена на рисунке:
Диагональ, обозначенная на рисунке bd- называется диагональю питания. В нее включен источник питания (батарея) G. Диагональ ас называется измерительной диагональю. В нее включен указатель равновесия (гальванометр) Р. Условия равновесия моста: . В качестве практического примера приведены параметры моста Р-369. Диапазон измеряемых сопротивлений: 10 -4 …1.11111*10 10 Ом. Класс точности в диапазоне до 10 -3 Ом- 1 и при измерении сопротивлений от1 до 10 3 Ом класс точности - 0.005. Для точных измерений сопротивлений малой величины применяют двойные мосты постоянного тока. Схема двойного моста представлена на рисунке: 
В процессе измерения измеряемое сопротивление R x сравнивается с образцовым сопротивлением R 0 . Сопротивление неизвестного резистора в случае равновесия моста можно выразить следующим образом: 
; Двойные мосты позволяют измерять сопротивления в диапазоне 10 -8 …1.11111*10 10 Ом. Мосты переменного тока применяются для измерения, как активных, так и реактивных сопротивлений (емкостных и индуктивных). В качестве элементов моста в этом случае могут использоваться реактивные элементы – емкости и индуктивности. Уравнения равновесия записываются по аналогии с мостами постоянного тока. В последние годы для измерений параметров электрических цепей часто применяют автоматические мосты и компенсаторы, в которых процесс уравновешивания моста происходит автоматически (при помощи реверсивного двигателя или электронной схемы). Особенно актуально применение автоматических мостов в высокоточных цифровых измерительных устройствах Измерение сопротивлений
Сопротивление постоянному току измеряестся как приборами непосредственной оценки – омметрами, так и мостами. Омметры чаще всего выполняют на основе магнитоэлектрического механизма. Диапазон измерений омметров: от десятитысячных долей ома до сотен мегом. Погрешность измерения омметров обычно от 1 до нескольких процентов, но резко возрастает на краях шкалы. Широкое распространение в последнее время получили цифровые многопредельные омметры, чаще всего входящие в состав универсальных цифровых измерительных приборов. Наиболее точно сопротивление можно измерить при помощи мостов постоянного тока. Измерение емкости и индуктивности
Производится в основном при помощи мостов переменного тока с частотами питания 100-1000 Гц. Чаще всего мосты для измерения сопротивления, емкости и индуктивности совмещаются в одном приборе – универсальном измерительном мосте. Такие приборы могут измерять индуктивность от долей микрогенри до тысяч генри, емкость – от сотых долей пикофарад до тысяч микрофарад. Погрешность универсальных мостов обычно не превышает сотых долей процента. Основы стандартизации
Государственная система стандартизации Понятие стандартизация охватывает широкую область общественной деятельности, включающую в себя научные, технические, хозяйственные, экономические, юридические, эстетические, политические аспекты. Во всех странах развитие государственного хозяйства, повышение эффективности производства, улучшение качества продукции, рост жизненного уровня связаны с широким применением различных форм и методов стандартизации. Правильно поставленная стандартизация способствует развитию специализации и кооперирования производства. В России действует государственная система стандартизации (ГСС) , объединяющая и упорядочивающая работы по стандартизации в масштабе всей страны, на всех уровнях производства и управления на основе комплекса государственных стандартов. Стандартизация – установление и применение правил с целью упорядочения деятельности при участии всех заинтересованных сторон. Стандартизация должна обеспечить возможно полное удовлетворение интересов производителя и потребителя, повышение производительности труда, экономное расходование материалов, энергии, рабочего времени и гарантировать безопасность при производстве и эксплуатации. Объектами стандартизации являются изделия, нормы, правила, требования, методы, термины, обозначения и т.п., имеющие перспективу многократного применения в науке, технике, промышленности, сельском хозяйстве, строительстве, на транспорте и в связи, в культуре, здравоохранении, а также в международной торговле. Различают государственную (национальную) стандартизацию и международную стандартизацию . Государственная стандартизация – форма развития и проведения стандартизации, осуществляемая под руководством государственных органов по единым государственным планам стандартизации. Международная стандартизация проводится специальными международными организациями или группой государств с целью облегчения взаимной торговли, научных, технических и культурных связей. Устанавливаемые при стандартизации нормы оформляются в виде нормативно-технической документации по стандартизации – стандартов и технических условий . Стандарт – нормативно-технический документ, устанавливающий комплекс норм, правил, требований к объекту стандартизации и утвержденный компетентным органом. Стандарт может быть разработан как на предметы (продукцию, сырье, образцы веществ), так и на нормы, правила, требования к объектам организационно-методического и общетехнического характера труда, порядок разработки документов, нормы безопасности, системы управления качеством и др. Технические условия (ТУ) – нормативно-технический документ по стандартизации, устанавливающий комплекс требований к конкретным типам, маркам, артикулам продукции. Технические условия являются неотъемлемой частью комплекта технической документации на продукцию, на которую они распространяются. Цели и задачи стандартизации Главная цель Государственной системы стандартизации (ГСС) - с помощью стандартов, устанавливающих показатели, нормы и требования, соответствующие передовому уровню отечественной и зарубежной науки, техники и производства, содействовать обеспечению пропорционального развития всех отраслей народного хозяйства страны. Другими целями и задачами стандартизации являются: 1. Установление требований к качеству готовой продукции на основе стандартизации ее качественных характеристик, а также характеристик сырья, материалов, полуфабрикатов и комплектующих изделий; 2. Разработка и установление единой системы показателей качества продукции, методов и средств контроля и испытаний, а также необходимого уровня надежности изделий с учетом их назначения и условий эксплуатации; 3. Установление норм, требований и методов в области проектирования и производства с целью обеспечения оптимального качества и исключения нерационального многообразия видов, марок и типоразмеров продукции; 4. Развитие унификации промышленной продукции, повышения уровня взаимозаменяемости, эффективности эксплуатации и ремонта изделий; 5. Обеспечение единства и достоверности измерений, создание государственных эталонов единиц физических величин; 6. Установление единых систем документации; 7. Установление систем стандартов в области обеспечения безопасности труда, охраны природы и улучшения использования природных ресурсов. Формы стандартизации В зависимости от метода решения основной задачи различают несколько форм стандартизации. Симплификация – форма стандартизации, заключающаяся в простом сокращении числа применяемых при разработке изделия или при его производстве марок полуфабрикатов, комплектующих изделий и т.п. до количества, технически и экономически целесообразного, достаточного для выпуска изделий с требуемыми показателями качества. Являясь простейшей формой и начальной стадией более сложных форм стандартизации, симплификация оказывается экономически выгодной, так как приводит к упрощению производства, облегчает материально-техническое снабжение, складирование, отчетность. Унификация – рациональное уменьшение числа типов, видов и размеров объектов одинакового функционального назначения. Объектами унификации наиболее часто являются отдельные изделия, их составные части, детали, комплектующие изделия, марки материалов и т. п. Проводится унификация на основе анализа и изучения конструктивных вариантов изделий, их применяемости путем сведения близких по назначению, конструкции и размерам изделий, их составных частей и деталей к единой типовой (унифицированной) конструкции. В настоящее время унификация является наиболее распространенной и эффективной формой стандартизации. Конструирование аппаратуры, машин и механизмов с применением унифицированных элементов позволяет не только сократить сроки разработки и уменьшить стоимость изделий, но и повысить их надежность, сократить сроки технологической подготовки и освоения производства. Типизация – это разновидность стандартизации, заключающаяся в разработке и установлении типовых решений (конструктивных, технологических, организационных и т. п.) на основе наиболее прогрессивных методов и режимов работы. Применительно к конструкциям типизация состоит в том, что некоторое конструктивное решение (существующее или специально разработанное) принимается за основное – базовое для нескольких одинаковых или близких по функциональному назначению изделий. Требуемая же номенклатура и варианты изделий строятся на основе базовой конструкции путем внесения в нее ряда второстепенных изменений и дополнений. Агрегатирование – метод создания новых машин, приборов и другого оборудования путем компоновки конечного изделия из ограниченного набора стандартных и унифицированных узлов и агрегатов, обладающих геометрической и функциональной взаимозаменяемостью. Категории и виды стандартов В зависимости от сферы действия различают:Международный стандарт
Региональный стандарт
Госстандарт Российской Федерации (ГОСТ Р)
Межгосударственный стандарт (ГОСТ)
Стандарт отрасли
Стандарт предприятия
Государственная система стандартизации Российской Федерации (ГСС РФ) начала формироваться в 1992 году. Основой её является фонд законов, подзаконных актов, нормативных документов по стандартизации. Фонд представляет четырех - уровневую систему:
Техническое законодательство – правовая основа ГСС.
Государственные стандарты, общероссийские классификаторы технико-экономической информации.
Стандарты отрасли и стандарты научно-технических и инженерных обществ.
Стандарты предприятий и технические условия.
Органы и службы стандартизации РФ
Государственное управление деятельности по стандартизации осуществляет Государственный Комитет РФ по стандартизации и метрологии (Госстандарт России). Работы по стандартизации в области строительства организует Государственный Комитет по строительной, архитектурной и жилищной политике России (Госстрой России).
Государственный метрологический контроль и надзор
Функции Госстандарта:
Выполнение роли заказчика государственных стандартов, устанавливающих основополагающие и общетехнические требования
Рассмотрение и принятие государственных стандартов, а также других нормативных документов межотраслевого значения
Организация работ по прямому использованию международных, региональных и национальных стандартов зарубежных стран в качестве Государственных стандартов
Обеспечение единства и достоверности измерений в стране, крепление и развитие государственной метрологической службы
Осуществление государственного надзора за внедрением и соблюдением обязательных требований государственных стандартов за состоянием и применением измерительной техники
Руководство работами по совершенствованию систем стандартизации, метрологии и сертификации
Участие в работах по международному сотрудничеству в области стандартизации
Издание и распространение государственных стандартов и другой нормативной документации
Основы сертификации
Основные понятия сертификации К объектам сертификации относятся продукция, системы качества, предприятия, услуги, системы качества, персонал, рабочие места и др. В сертификации продукции, услуг и иных объектов участвуют первая, вторая и третья стороны. Первая сторона - интересы поставщиков. Вторая сторона - интересы покупателей. Третья сторона - это лицо или органы, признаваемые независимыми от участвующих сторон в рассматриваемом вопросе (ИСО\МЭК2). Сертификация может иметь обязательный и добровольный характер. Перечень продукции, подлежащей обязательной сертификации, утверждается Правительством РФ. Сертификация - это процедура подтверждения соответствия, посредством которой независимая от изготовителя (продавцы, исполнителя) и потребителя (покупателя) организация удостоверяет в письменной форме, что продукция соответствует установленным требованиям (закон РФ от 10.06.1993г № 5151-1 "О сертификации продукции и услуг"). Система сертификации - совокупность участников сертификации, осуществляющих сертификацию по правилам, установленным в этой системе (правила по проведению сертификации в РФ). Система сертификации формируется на национальном (федеральном), региональном и международном уровне. В нашей стране система сертификации создается специально уполномоченными на это органами исполнительной власти по стандартам России: ГОСТР, Министерство Здравоохранения РФ, ГосКом РФ по связи и информатизации (ГосКомСвязи) и пр. Система сертификации государственного стандарта России охватывает область народного потребления и услуги. Сертификат соответствия - это документ, выданный по правилам системы сертификации для подтверждения соответствия сертифицированной продукции установленным требованиям (закон РФ «О сертификации продукции и услуг»). Декларация о соответствии - это документ, в котором изготовитель (продавец исполнитель) удостоверяет, что поставляемая (продаваемая) им продукция соответствует установленным требованиям. Перечень продукции, соответствие которой может быть подтверждено декларацией о соответствии устанавливается постановлением правительства РФ. Декларация о соответствии имеет юридическую силу наравне с сертификатом соответствия. Кроме сертификата соответствия и декларации соответствия существует знак соответствия. Знак соответствия - это зарегистрированный в установленном порядке знак, которым подтверждается соответствие маркированной им продукции установленным требованиям. Основные цели и принципы сертификации Цели сертификации.содействие потребителю в компетентном выборе продукции (услуги)
защита потребителя от недобросовестности изготовителя (продавца, исполнителя)
контроль безопасности продукции (услуги, работы) для определенной среды, жизни, здоровья и имущества
подтверждение показателей качества продукции (услуги, работы), заявленных изготовителем (исполнителем)
создание условий для деятельности организации и предпринимателей на едином товарном рынке РФ, а также для участия в международном экономическом научно-техническом сотрудничестве и международной торговле
Сертифицирует продукцию (услуги), выдает сертификат и лицензии на применение знака соответствия
Осуществляет инспекционный контроль за сертифицированной продукцией (услугой)
Приостанавливает либо отменяет действие выданных им сертификатов
Представляет заявителю необходимую информацию
ОС несет ответственность за обоснованность и правильность выдачи сертификата соответствия, за соблюдение правил сертификации
Организация, координация работы и установления правил процедуры в возглавляемой системе сертификации
Рассмотрение апелляций заявителей по поводу действий ОС, ИЛ (центров
подача заявки на сертификацию
рассмотрение и принятие решения по заявке
отбор, идентификация образцов и их испытания
проверка производства (если предусмотрена схемой сертификации)
анализ полученных результатов, принятие решения о возможности выдачи сертификата
выдача сертификата и лицензии (разрешения) на применение знака соответствия
инспекционный контроль за сертифицированной продукцией в соответствии со схемой сертификации
- Учебно-методический комплекс
Рабочая программа По дисциплине «Метрология, стандартизация и сертификация» По специальности 220501. 65- «Управление качеством»
Рабочая программаЦель преподавания дисциплины заключается в подготовке специалистов для системы профессионального обучения в области полиграфии, для обеспечения приобретения навыков, связанных с работами по стандартизации, метрологии, а также с контролем
Рабочая программа учебной дисциплины метрология, стандартизация и сертификация для специальности
Рабочая программаРабочая программа обсуждена на заседании кафедры «Нефтегазовое оборудование и транспортировка» Воронежского государственного технического университета»
Правила рейтинговой оценки по дисциплине «Метрология, стандартизация и сертификация» Объем курса 45 часов
ЛекцииКаждая из лабораторных работ проводиться в течение двух учебных занятий. Студент в течение семестра должен выполнить и защитить три лабораторные работы и набрать по рейтингу не менее 15 баллов.
Теоретические основы метрологии. Основные понятия, связанные с объектами измерения: свойство, величина, количественные и качественные проявления свойств объектов материального мира.
