ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ
Тверской государственный технический университет
Кафедра «Технология машиностроения»
МЕТРОЛОГИЯ,
СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ
Метрология
Методическое пособие к лабораторному практикуму
для студентов специальностей 1201,1701,1705, 1706, 1709
Тверь 2002
УДК 621:389.(075.8)
ББК 34.5
В методическом пособии к лабораторному практикуму приведено теоретическое содержание курса «Метрология, стандартизация и сертификация» по разделу метрология. Пособие рассчитано на студентов машиностроительных специальностей: «Технология машиностроения», «Горные машины и оборудование», «Машины и аппараты химических производств», «Машины и аппараты пищевых производств», «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование».
Методическое пособие рассмотрено и рекомендовано к опубликованию на заседании кафедры «Технология машиностроения» (протокол № 4 от 4 июля 2002 г.)
Составители: Нестерова И.Н., Новиков В.В.
Тверской государственный
технический университет, 2002
ВВЕДЕНИЕ
Измерения как основной объект метрологии связаны с физическими величинами.
Физической величиной называют одно из свойств физического объекта (явления, процесса), которое является общим в качественном отношении для многих физических объектов, отличаясь при этом количественным значением. Так, свойство "твердость" в качественном отношении характеризует такие материалы, как сталь, дерево, ткань, стекло и многие другое, в то время как степень (количественное значение) твердости - величина для каждого из них совершенно разная.
Измерением называют совокупность операций, выполняемых с помощью технического средства, хранящего единицу величины и позволяющего сопоставить с нею измеряемую величину. Полученное значение величины и есть результат измерений.
Одной из главных задач метрологии является обеспечение единства измерений. Современное определение понятия единства измерений - это состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах, а погрешности известны с заданной вероятностью и не выходят за установленные пределы. Единство измерений необходимо для того, чтобы можно было сопоставлять результаты измерений, выполненных в различных местах, в различное время и с помощью различных устройств.
Мероприятия по реальному обеспечению единства измерений в большинстве стран мира установлены законами и входят в функции законодательной метрологии.
Закон Российской Федерации "Об обеспечении единства измерений" устанавливает и законодательно закрепляет основные понятия, принимаемые для целей Закона: единство измерений, средство измерений, эталон единицы величины, государственный эталон единицы величины, нормативные документы по обеспечению единства измерений, метрологическая служба, метрологический контроль и надзор, поверка и калибровка средств измерений, сертификат об утверждении типа средств измерений, аккредитация на право поверки средств измерений, сертификат о калибровке. В основу определения этих понятий положена официальная терминология Международной организации законодательной метрологии МОЗМ).
1.ОСНОВЫ ТЕХНИКИ ИЗМЕРЕНИЙ
1.1. Виды измерений
В метрологии существует множество видов измерений, и число их постоянно увеличивается (рис.1).
Измерения различают по способу получения информации, по характеру изменений измеряемой величины в процессе измерений, по количеству измерительной информации, по отношению к основным единицам.
По способу получения информации измерения разделяют на прямые, косвенные, совокупные и совместные.
Прямые измерения - наиболее простые, состоящие в непосредственном сравнении физической величины с ее мерой. Например, при определении длины предмета линейкой происходит сравнение искомой величины (количественного выражения значения длины) с мерой, т.е. линейкой.
Косвенные измерения отличаются от прямых тем, что искомое значение величины устанавливают по результатам прямых измерений таких величин, которые связаны с искомой определенной известной зависимостью. Например, объем параллелепипеда находят умножением трех линейных величин (длины, ширины и высоты); электрическое сопротивление - делением падения напряжения на силу электрического тока.
Совокупные измерения осуществляются одновременными прямыми измерениями нескольких одноименных величин, при которых искомое значение находят решением системы уравнений, составляемых в результате измерений различных сочетаний этих величин. При определении взаимоиндуктивности катушки, к примеру, используют два метода: сложения и вычитания полей.
Совместные измерения — это производимые одновременно (прямые и косвенные) измерения двух или более неодноименных физических величин для определения зависимости между ними.
Совокупные и совместные измерения чаще всего применяют в измерениях различных параметров и характеристик в области электротехники.
Прямые измерения - основа более сложных измерений, поэтому целесообразно рассмотреть классификацию методов прямых измерений:
1. Метод непосредственной оценки, при котором величину определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора, например измерение давления пружинным манометром, массы - на весах.
2. Метод сравнения с мерой, где измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Например, измерения массы на рычажных весах с уравновешиванием гирей; измерение напряжения постоянного тока на компенсаторе сравнением с ЭДС параллельного элемента.
3. Метод противопоставления, при котором измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения. Например, определение массы на равноплечих весах с помещением измеряемой массы и уравновешивающих ее гирь на двух чашках весов.
4. Дифференциалъный метод, характеризуемый измерением разности между измеряемой величиной и известной величиной, воспроизводимой мерой. Метод позволяет получить результат высокой точности при использовании относительно грубых средств измерения.
5. Нулевой метод, который аналогичен дифференциальному, но в нем разность между измеряемой величиной и мерой сводится к нулю. При этом нулевой метод имеет то преимущество, что мера может быть во много раз меньше измеряемой величины.
6. Метод замещения, состоящий в том, что измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой. Например, взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашку весов.
7. Метод совпадений, заключающийся в том, что разность между сравниваемыми величинами измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов. К примеру, при измерении длины штангенциркулем наблюдают совпадение отметок на шкалах штангенциркуля и нониуса; при измерении частоты вращения стробоскопом наблюдают совпадение метки на вращающемся объекте с момента вспышек известной частоты.
По характеру изменения измеряемой величины в процессе измерений бывают статистические, динамические и статические измерения.
Статистические измерения связаны с определением характеристик случайных процессов, звуковых сигналов, уровня шумов и т д. Статические измерения имеют место тогда, когда измеряемая величина практически постоянна. Динамические измерения связаны с такими величинами, которые в процессе измерений претерпевают те или иные изменения. Статические и динамические измерения в идеальном виде на практике редки.
По количеству измерительной информации различают однократные и многократные измерения.
Однократные измерения — это одно измерение одной величины, то есть, число измерений равно числу измеряемых величин. Практическое применение такого вида измерений всегда сопряжено с большими погрешностями, поэтому следует проводить не менее трех однократных измерений и находить конечный результат как среднее арифметическое значение.
Многократные измерения характеризуются превышением числа измерений над количеством измеряемых величин.
По способу определения значения измеряемой величины различают абсолютные и относительные измерения.
При абсолютном методе значение измеряемой величины определяется непосредственно по шкале прибора. При относительном - значение измеряемой величины получается как алгебраическая сумма показаний по шкале прибора и размера установочной меры, отклонение от которого показывает прибор.
1.2. Классификации средств измерений
Для практического измерения единицы величины применяются технические средства, которые имеют нормированные погрешности и называются средствами измерений. В метрологии средства измерения принято классифицировать по видам, метрологическому назначению и по принципам измерения.
1.2.1 Виды средств измерения
По видам все многообразие современных средств измерений разделяют следующим образом: меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки и системы, измерительные принадлежности.
Мерой называют средство измерения, предназначенное для воспроизведения физических величин заданного размера, к данному виду средств измерений относятся гири, концевые меры длины и т.п. На практике используют однозначные и многозначные меры, а также наборы и магазины мер. Меры воспроизводят величины только одного размера, многозначные меры воспроизводят несколько размеров физической величины. Например, миллиметровая линейка дает возможность выразить длину предмета в сантиметрах и в метрах.
Наборы и магазины представляют собой объединение (сочетание) однозначных или многозначных мер для возможности воспроизведения некоторых промежуточных суммарных значений величины. Набор мер представляет комплект однородных мер разного размера, что дает возможность применять их в нужных сочетаниях, например, набор концевых мер длины.
Магазин мер - сочетание мер, объединенных конструктивно в одно механическое целое, в котором предусмотрена возможность посредством ручных или автоматизированных переключателей, связанных с отсчетным устройством, соединять составляющие магазин меры в нужном сочетании. По этому принципу устроены магазины электрических сопротивлений.
К однозначным мерам относят стандартные образцы и стандартные вещества. Стандартный образец - это должным образом оформленная проба вещества (материала), которая подвергается метрологической аттестации с целью установления значения определенной характеристики. Эта характеристика (или свойство) является величиной с известным значением при установленных условиях внешней среды. К стандартным образцам относятся, например, наборы минералов с конкретными значениями твердости (шкала Мооса) для определения этого параметра у различных минералов.
При пользовании мерами следует учитывать номинальное и действительное значения меры, а также погрешность меры. Номинальным называют значение меры, указанное на ней. Действительное значение меры должно быть указано в специальном свидетельстве как результат высокоточного измерения с использованием официального эталона.
Разность между номинальным и действительным значениями называется погрешностью меры. Величина, противоположная ло знаку погрешности, представляет собой поправку к указанному на мере номинальному значению. Поскольку при аттестации (поверке) также могут быть погрешности, меры подразделяют на разряды (1-го, 2-го и так далее разрядов) и называют разрядными эталонами, которые используют для поверки измерительных средств. Величина погрешности меры служит основой для разделения мер на классы, что обычно применимо к мерам, употребляемым для технических измерений.
Измерительный преобразователь — это средство измерений, которое служит для преобразования сигнала измерительной информации в форму, удобную для обработки или хранения, а также передачи в показывающее устройство. Измерительные преобразователи либо входят в конструктивную схему измерительного прибора, либо применяются совместно с ним, но сигнал преобразователя не поддается непосредственному восприятию наблюдателем.
Например, преобразователь может быть необходим для передачи информации в память компьютера. Преобразуемую величину называют исходной, а результат преобразования — выходной величиной. Основной метрологической характеристикой измерительного преобразователя считается соотношение между входной и выходной величиной, называемое функцией преобразования.
Измерительные приборы — это средства измерений, которые позволяют получать измерительную информацию в форме, удобной для восприятия пользователем. Различаются измерительные приборы прямого действия и приборы сравнения.
Приборы прямого действия отображают измеряемую величину на показывающем устройстве, имеющем соответствующую градуировку в единицах этой величины. Изменения рода физической величины при этом не происходит. К приборам прямого действия относят, например, микрометры, термометры и т.п.
Приборы сравнения предназначаются для сравнения измеряемых величин с величинами, значения которых известно. Такие приборы широко используются в научных целях, а и на практике для измерения таких величин, как яркость источников излучения, давление сжатого воздуха и др.
Измерительные установки и системы — это совокупность средств измерений, объединенных по функциональному признаку со вспомогательными устройствами, для измерения одной или нескольких физических величин объекта измерения. Обычно такие системы автоматизированы и обеспечивают ввод информации в систему, автоматизацию самого процесса измерения, обработку и отображение результатов измерений для восприятия их
Измерительные принадлежности — это вспомогательные средства измерений величин. Они необходимы для вычисления поправок к результатам измерений, если требуется степень точности. Например, термометр может быть вспомогательным средством, если показания прибора достоверны только при строго регламентированный температуре; психрометр - если строго оговаривается влажность окружающей среды.
Следует учитывать, что измерительные принадлежности вносят определенные погрешности в результат измерений, связанные с погрешностью самого вспомогательного средства.
1.2.2 Метрологические назначения средств измерения
По метрологическому назначению средства измерений делят на два вида - рабочие средства измерений и эталоны. Рабочие средства измерений применяют для определения параметров (характеристик) технических устройств, технологических процессов, окружающей среды и др. Рабочие средства могут быть лабораторными (для научных исследований), производственными (для обеспечения и контроля заданных характеристик технологических процессов), полевыми (для самолетов, автомобилей, судов и т.п.).
Каждый из этих видов рабочих средств отличается особыми показателями. Так, лабораторные средства измерений - самые точные и чувствительные, а их показания характеризуются высокой стабильностью. Производственные обладают устойчивостью к воздействиям различных факторов производственного процесса: температуры, влажности, вибрации и т.п., что может сказаться на достоверности и точности показаний приборов. Полевые средства измерения работают в условиях, постоянно изменяющихся в широких пределах внешних воздействий.
Особым средством измерений является эталон.
Эталон - это высокоточная мера, предназначенная для воспроизведения и хранения единицы величины с целью передачи ее размера другим средствам измерений. От эталона единица величины передается разрядным эталонам, а от них - рабочим средствам измерений.
Эталоны классифицируют на первичные, вторичные и рабочие.
Первичный эталон - это эталон, воспроизводящий единицу физической величины с наивысшей точностью, возможной в данной области измерений на современном уровне научно-технических достижений. Первичный эталон может быть национальным (государственным) и международным.
Национальный эталон утверждается в качестве исходного средства измерения для страны национальным органом по метрологии. В России национальные (государственные) эталоны утверждает Госстандарт РФ.
Первичному эталону соподчинены вторичные и рабочие (разрядные) эталоны. Размер воспроизводимой единицы вторичным эталоном сличается с государственным эталоном. Вторичные эталоны (их иногда называют "эталоны-копии") утверждаться либо Госстандартом РФ, либо государственными научными метрологическими центрами, что связано с особенностями их использования. Рабочие эталоны (1-го, 2-го, 3-го разрядов) воспринимают размер единицы от вторичных эталонов и служат для передачи размера рабочим средствам измерений.
1.2.3 Принципы действия средств измерения
Это физические принципы (явления или совокупность явлений), положенные в основу построения средств измерения данного вида. Принцип действия обычно находит отражение в названии средства измерения. Количество принципов действия чрезвычайно велико и непрерывно увеличивается по мере использования для измерений новых физических явлений и их сочетаний.
1.2.4 Поверка (калибровка) средств измерений
Единообразие средств измерения обеспечивается путем их периодической поверки (калибровки), которая осуществляется соответственно либо государственной метрологической службой, либо метрологическими службами предприятий или ведомств.
Поверка (калибровка) средств измерений – это совокупность операций, выполняемых с целью определения и подтверждения действительных значений метрологических характеристик и пригодности к применению средств измерений. Под пригодностью средства измерения подразумевается соответствие его метрологических характеристик ранее установленным техническим требованиям, которые могут содержаться в нормативном документе или определяться заказчиком.
Калибровка заменила ранее существовавшую в нашей стране вневедомственную поверку и метрологическую аттестацию средств измерений. В отличие от поверки, которую осуществляют органы государственной метрологической службы, калибровка может проводиться любой метрологической службой (или физическим лицом) при наличии надлежащих условий для выполнения этой работы. Калибровка - добровольная операция, ее может выполнить также и метрологическая служба самого предприятия. Это еще одно отличие от поверки, которая, как уже сказано выше, обязательна и подвергается контролю со стороны органов государственной метрологической службы.
Однако добровольный характер калибровки не освобождает метрологическую службу предприятия от необходимости соблюдать определенные требования. Главное из них - обязательная "привязка" рабочего средства измерений к национальному (государственному) эталону. Таким образом, функцию калибровки следует рассматривать как составную часть национальной системы обеспечения единства измерений.
Сущность поверки (калибровки) рабочих средств измерений состоит в определении того, насколько хорошо передан размер единицы физической величины от эталонного к рабочему средству измерения. Эти технические процедуры осуществляются с помощью государственных эталонов и эталонов 1-го, 2-го, 3-го разрядов.
Узловым вопросом при поверке (калибровке) является выбор соотношения между допустимыми погрешностями эталона и рабочего средства измерений. Обычно это соотношение 1:3 или 1:5. Очень важным при этом является соотношение диапазонов измерений эталона и рабочего средства измерений. Верхний предел измерений эталона должен быть равен или незначительно превышать верхний предел измерений рабочего средства измерений.
Для поверки (калибровки) рабочих измерительных устройств применяются следующие методы поверки:
- непосредственное сличение рабочего средства измерений с эталонным измерительным устройством;
- прямое измерение рабочим средством измерений физической величины, воспроизводимой эталонной мерой.
Поверка (калибровка) средств измерений предполагает определение погрешностей средств измерения.
Как при поверке измерительного прибора методом прямого измерения величин, воспроизводимых мерами, так и при поверке методом непосредственного сличения с эталонным прибором, наибольшую, полученную во всем диапазоне измерения погрешность принимают за основную погрешность поверяемого измерительного прибора. Основная погрешность средства измерения - это погрешность при использовании его в нормальных условиях.
При положительном исходе поверки (калибровки) средства измерений на него наносят поверочное (калибровочное) клеймо - знак, удостоверяющий факт поверки (калибровки) и признания средства измерения пригодным к применению.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ