2014-02-13
3728
Физические величины и их измерение. Классификация величин и измерений.
Контрольные вопросы
1. Что такое единство измерений? Какие условия необходимы для обеспечения единства измерений?
2. Перечислите основы метрологического обеспечения.
3. Перечислите основные этапы развития метрологии в России.
4. Что называют физической величиной? Какие требования предъявляют к измеряемым величинам?
5. Приведите определения понятию "истинное значение" и "действительное значение" величины.
6. Дайте определение понятию "измерение" и приведите примеры различных видов измерений.
7. Каковы правила наименований и обозначений единиц?
8. Что называют средством измерений? Перечислите виды средств измерений и их особенности.
9. Для решения каких практических задач необходимы метрологические характеристики средств измерений?
10. Какие существуют виды методов измерений?
11. Что называют эталоном единиц физических величин? Приведите классификацию эталонов.
12. Что такое поверка и калибровка средств измерений?
13. Что называют погрешностью измерений? Приведите классификацию погрешностей измерений.
14. Для каких целей необходимо создание метрологических служб?
15. Какие законодательные акты по метрологии приняты в России?
16. Перечислите основные объекты стандартизации в области метрологии.
17. Расскажите об основных международных организациях по метрологии.
Лекция 2.
Основы метрологии. Стандартизация и сертификация. (2 час)
Необходимость и преимущества стандартизации оборудования, процессов, средств и методов измерения, контроля и управления. Сертификация соответствия и качества. Нормативно-правовые документы, регламентирующие стандарты и сертификацию. Процедура сертификации. Службы контроля за соблюдением системы стандартов и сертификации.
См. учебное пособие Федорова Н.В., Ефимов Н.Н. Метрология, стандартизация и сертификация на ТЭС: Учеб. пособие / Юж. – Рос. гос. техн. ун-т. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2004. – 212 с. Пл 12,32
Лекция 3.
Основы метрологии. Методика проведения измерений. (4 час)
Классификации и основные характеристики измерений. Статистические и динамические измерения. Прямые, косвенные, совокупные и совместные измерения. Классы измерений. Физические величины, эталоны единиц физических величин. Международная система единиц СИ. Основной принцип измерения, стандартная схема измерения. Основные факторы, вызывающие погрешность результатов измерений. Средства измерения и их метрологические характеристики. Поверка средств измерения. Обработка многократных измерений. Понятие о плане измерений и методах его построения.
Научно-технические основы метрологического обеспечения
Физической величиной называется одно из свойств физического объекта (явления, процесса), которое является общим в качественном отношении для многих физических объектов, отличаясь при этом количественным значением.
Каждая физическая величина имеет качественную и количественную характеристики. Качественная характеристика определяется тем, какое свойство материального объекта или какую особенность материального мира эта величина характеризует. Так, свойство "прочность" в качественном отношении характеризует такие материалы, как сталь, дерево, ткань, стекло и многие другие, в то время как количественное значение прочности для каждого из них совершенно разное. Для выражения количественного содержания свойства конкретного объекта употребляется понятие "размер физической величины", который устанавливается в процессе измерения.
Измерение – это нахождение численного значения физической величины путем сравнения ее с эталоном с помощью специальных технических средств и методик.
Целью измерений является определение значения физической величины как некоторого числа принятых для нее единиц (например, результат измерения массы изделия составляет 2 кг, высоты здания – 12 м и т.д.).
Классификация значений физической величины.
В зависимости от степени приближения к объективности различают истинное, действительное и измеренное значения физической величины.
Истинное значение физической величины – это значение, идеально отражающее в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта. Из-за несовершенства средств и методов измерений истинные значения величин практически получить нельзя. Их можно представить только теоретически. А значения величины, полученные при измерении, лишь в большей или меньшей степени приближаются к истинному.
Действительное значение физической величины – это значение, найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному, что для данной цели может быть использовано вместо него.
Измеренное значение физической величины – это значение, полученное при измерении с применением конкретных методов и средств измерений.
При планировании измерений следует стремиться к тому, чтобы номенклатура измеряемых величин соответствовала требованиям измерительной задачи (например, при контроле такие величины должны отражать соответствующие показатели качества продукции или характерные свойства процесса).
Требования к измеряемым параметрам:
– корректность формулировки измеряемой величины, исключающая возможность двоякого толкования (необходимо четко различать, что определяется: «масса» или «вес» изделия, "объем" или "вместимость" сосуда и т.д.);
– определенность подлежащих измерению свойств объекта (например, "температура в помещении не более... °С" допускает возможность различного толкования, поэтому надо так изменить формулировку требования, чтобы было ясно, установлено ли это требование к максимальной или к средней температуре помещения, что будет в дальнейшем учтено при выполнении измерений);
– использование стандартизованных терминов (специфические требования следует пояснять при первом их упоминании).
Существует несколько определений понятию "измерения", каждое из которых описывает какую-нибудь характерную особенность этого многогранного процесса. В соответствии с ГОСТ 16263-70 "Метрология. Термины и определения" измерение – это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Это широко распространенное определение измерения отражает его цель, а также исключает возможность использования данного понятия вне связи с физическим экспериментом и измерительной техникой. Под физическим экспериментом понимают количественное сравнение двух однородных величин, одна из которых принята за единицу, что "привязывает" измерения к размерам единиц, воспроизводимых эталонами.
Интересно отметить толкование данного термина философом П.А. Флоренским, которое вошло в "Техническую энциклопедию" издания 1931 г.: "Измерение – основной познавательный процесс науки и техники, посредством которого неизвестная величина количественно сравнивается с другою, однородною с нею и считаемою известной".
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.
По способу получения результатов измерений (виду уравнения измерений) их разделяют на прямые, косвенные, совокупные, совместные.
– Прямые – это когда искомые значения величин находят непосредственно из опытных данных, например измерение длины линейкой, температуры термометром (?) и т.п. Прямые измерения можно выразить формулой Q = X, где Q – искомое значение измеряемой величины, X – значение, непосредственно получаемое из опытных данных. При прямых измерениях измеряемую величину сравнивают с мерой непосредственно.
– Косвенные – это когда искомое значение величины находят на основании известной зависимости между нею и величинами, подвергаемыми прямым измерениям, например, площадь прямоугольника определяют по результатам измерения его сторон (S = l • d), плотность твердого тела – по результатам измерений его массы и объема (р = m/v) и т.п. При косвенных измерениях измеряют не собственно определяемую величину, а другие величины, функционально с ней связанные. Значение измеряемой величины находят путем вычислений по формуле Q = f(X1, X2, X3…).
Наибольшее распространение в практической деятельности получили прямые измерения, так как они просты и могут быстро выполняться, а косвенные применяют тогда, когда нет возможности получить значение величины непосредственно из опытных данных (определение твердости твердого тела) или когда приборы для измерения величин, входящих в формулу, точнее, чем для измерения искомой величины. 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 косвенных измерений особенно велика при измерении величин, недоступных непосредственному экспериментальному сравнению, например, размеров астрономического или внутриатомного порядка.
Деление измерений на прямые и косвенные позволяет использовать определенные способы оценивания погрешностей их результатов.
Совокупные измерения – это производимые одновременно измерения нескольких одноименных (однородных) физических величин (несколько сопротивлений на различных участках). Они приводят к системе линейных однородных уравнений, из которых может быть определена каждая конкретная величина.
Совместные измерения – это производимые одновременно измерения нескольких разноименных (разнородных) физических величин для нахождения зависимостей между ними (время + масса).
Измерения также делят на однократные и многократные. Результаты многократных измерений обрабатываются статистическими методами.
По условиям, определяющим точность результата, измерения делятся на три класса:
1. Измерения максимально возможной точности.
К ним относятся эталонные измерения, измерения физических констант, прежде всего, универсальных (абсолютное значение ускорения свободного падения) и т.п.
2. Контрольно-поверочные измерения, погрешность которых не должна превышать некоторое заданное значение.
К ним относятся измерения, выполняемые лабораториями государственного надзора за внедрением и соблюдением стандартов и состоянием измерительной техники и заводскими измерительными лабораториями и осуществляемые такими средствами измерений и по такой методике, которые гарантируют погрешность результата, не превышающую некоторого заранее заданного значения.
3. Технические измерения, в которых погрешность результата определяется характеристиками средств измерений.
Примерами технических измерений являются измерения, выполняемые в процессе производства.
По способу получения результатов измерения делят на абсолютные и относительные.
Абсолютными называются измерения, которые основаны на прямых измерениях одной или нескольких основных величин или на использовании значений физических констант.
Примером абсолютных измерений может служить определение длины в метрах, силы электрического тока в амперах, ускорения свободного падения в метрах на секунду в квадрате.
Относительными называются измерения отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.
Пример относительных измерений – измерение относительной влажности воздуха как отношения количества водяных паров в 1м3 воздуха к максимально возможному при данной температуре.
Основные характеристики измерений:
– принцип измерений;
– метод измерений;
– погрешность;
– точность;
– правильность;
Принцип измерений – физическое явление или совокупность физических явлений, положенных в основу измерений. Например, измерение массы тела при помощи взвешивания с использованием силы тяжести, пропорциональной массе, измерение температуры с использованием термоэлектрического эффекта.
Метод измерений – совокупность приемов использования принципов и средств измерений. Средствами измерений являются используемые технические средства, имеющие нормированные метрологические свойства.
Погрешность измерений – разность между полученным при измерении X' и истинным Q значениями измеряемой величины. Погрешность измерения Δ определяется формулой Δ = X' – Q.
Погрешность измерений вызывается несовершенством методов и средств измерений, непостоянством условий наблюдения, недостаточным опытом наблюдателя или особенностями его органов чувств.
Точность измерений – это характеристика измерений, отражающая близость результатов к истинному значению измеряемой величины. Количественно точность можно выразить величиной, обратной модулю относительной погрешности: ε = |Δ/Q|–1.
Правильность измерения определяется как качество измерения, отражающее близость к нулю систематических погрешностей результатов (т.е. таких погрешностей, которые остаются постоянными или закономерно изменяются при повторных измерениях одной и той же величины). Правильность измерений зависит, в частности, от того, насколько действительный размер единицы, в которой выполнено измерение, отличается от ее истинного размера (по определению), т.е. от того, в какой степени были правильны (верны) средства измерений, использованные для данного вида измерений.
Достоверность измерений характеризует доверие к результатам измерений и делит их на две категории: достоверные и недостоверные, в зависимости от того, известны или неизвестны вероятностные характеристики их отклонений от истинных значений соответствующих величин. Результаты измерений, достоверность которых не известна, не представляют ценности и в ряде случаев могут служить источником дезинформации.
Наличие погрешности ограничивает достоверность результатов измерений, т.е. вносит ограничение в число достоверных значащих цифр числового значения измеряемой величины и определяет точность измерений.
Физическая величина, которой по определению присвоено числовое значение, равное 1, называется единицей физической величины. Разные единицы одной и той же величины отличаются друг от друга своим размером. Так, размер килограмма в 1000 раз больше размера грамма, размер минуты в 60 раз больше размера секунды.
Физические величины бывают основные и производные. Для основной (независимой) физической величины единицу физической величины можно выбрать произвольно, т.е. независимо от других единиц: единица длины – метр, единица массы – килограмм, единица температуры – градус и т.д.
Для большинства величин единицы получают по формулам, выражающим зависимость между физическими величинами. В этом случае единицы величин будут выражаться через единицы других величин. Например, единица скорости – метр в секунду (м/с), единица плотности – килограмм на метр в кубе (кг/м3). Единицы, образованные с помощью формул, называют производными единицами.
Единицу можно получить также умножением или делением независимой или производной единицы на целое число, обычно на 10 в некоторой степени. Такие единицы называют кратными (например, 1 км – 103 м, 1 кВт – 103 Вт) или дольными (например, 1 мм – 10–3 м, 1 мс – 103 с).
Кратные физические величины: кило – ´103, мега – ´106, гига – ´109, мили – 10–3, микро – 10–6, нано – 10–9.
Системы единиц.
Единицы физических величин объединяются в системы единиц по определенным принципам, т.е. произвольно устанавливаются единицы для некоторых величин, называемых основными единицами, и через них по формулам получают все производные единицы для данной области измерений. Совокупность основных и производных единиц, относящихся к некоторой системе величин, и образованная в соответствии с принятыми принципами, составляет систему единиц физических величин.
Многообразие систем единиц для различных областей измерений создавало трудности в научной и экономической деятельности людей как в отдельных странах, так и в международном масштабе. Поэтому возникла необходимость иметь единую систему, которая бы включала в себя единицы величин для всех разделов физики. В 1960 г. на XI Генеральной конференции по мерам и весам Международной организации мер и весов (МОМВ) была принята Международная система единиц (SI), состоящая из семи основных единиц, двух дополнительных и необходимого числа производных.
Основными единицами являются следующие: длины – метр (м), массы – килограмм (кг), времени – секунда (с), силы электрического тока – ампер (А), термодинамической температуры – кельвин (К), силы света – кандела (кд), количества вещества – моль (моль).
Три первые единицы (метр, килограмм, секунда) позволяют образовать производные единицы для измерения механических и акустических величин. При добавлении к ним четвертой (кельвина) можно образовать производные единицы для измерений тепловых величин.
Метр, килограмм, секунда, ампер служат основой для образования производных единиц в области электрических, магнитных измерений и измерений ионизирующих излучений, а моль используется для образования единиц в области физико-химических измерений.
Дополнительными в Международной системе являются единица плоского угла (радиан) и единица телесного угла (стерадиан). Они используются для образования производных единиц, связанных с угловыми величинами (например, угловая скорость, световой поток и др.). В практических задачах для измерения угловых величин используются угловой градус, минута, секунда.
В нашей стране Международная система единиц действует с 1 января 1963 г.
В настоящее время применение единиц физических величин в России узаконено Конституцией РФ (ст. 71) и Законом РФ "Об обеспечении единства измерений" (ст. 6). В практической деятельности следует руководствоваться единицами физических величин, регламентированных ГОСТ 8.417–81 "Единицы физических величин". В этом стандарте наряду с единицами Международной системы единиц (основные, дополнительные, производные) представлены и другие допущенные к применению единицы, а также приведены правила написания и обозначения единиц, которые следует использовать при оформлении требований к измерительной информации.
Обозначения единиц применяются только с числовыми значениями. В тексте следует записывать полное название единицы (например, "измерение длины в метрах"), а измеренную длину так: 25 м. Между числовым значением и обозначением необходим пробел. Обозначения единиц, наименования которых образованы по фамилиям ученых, должны записываться с прописной (заглавной) буквы (220В, 25А и др.). При указании значений величин с предельными отклонениями обозначения единиц надо приводить после каждого значения (20 кг ± 1 кг) или же заключить числовые значения в скобки, а обозначения единиц ставить после них, например (5 ± 1) г. При перечислении нескольких измеряемых значений обозначение единиц ставят после последней цифры: 4, 6, 8 мм. Помещение обозначений единиц рядом с формулами, выражающими зависимости между величинами, не допускается (пояснения единиц даются отдельно). Более полный перечень правил написания и обозначения единиц дан в стандарте. Эти же правила приведены в справочниках по Международной системе единиц.
3. Эталоны единиц физических величин.
Одним из условий обеспечения единства измерений является выражение результата в узаконенных единицах. Это предполагает не только применения допущенных ГОСТ 8.417–81 единиц, но и обеспечения равенства их размеров. А для этого необходимо обеспечить воспроизведение, хранение единиц физических величин и передачу их размеров всем применяемым средствам измерений, проградуированным в этих единицах.
Средство измерений, обеспечивающее воспроизведение единицы с максимально возможной точностью и хранение ее для передачи размера другим средствам измерений, выполненное по особой спецификации и официально утвержденное в установленном порядке, называется эталоном. Эталон, утвержденный в качестве исходного для страны, называют государственным эталоном.
В основе создания эталонов лежат фундаментальные исследования, т.е. в них для воспроизведения единиц с максимально возможной точностью воплощены новейшие достижения науки у. техники. Эталонную базу страны составляют около 120 государственных эталонов, которые хранятся в государственных научных метрологических центрах (ГНМЦ).
Для различных метрологических работ создают вторичные эталоны, в том числе:
• эталоны-свидетели – для проверки сохранности государственного эталона и его замены в случае порчи или утраты;
• эталоны-копии – для передачи размеров единиц рабочим эталонам;
• эталоны-свидетели – для сличения эталонов;
• рабочие эталоны – для передачи размера единиц эталонам высшей точности и в отдельных случаях наиболее точным рабочим средствам измерений.
Для передачи размеров единиц от государственного эталона рабочим средствам измерений создана система эталонов, которые по точности подразделяются на разряды. Передача размеров единиц осуществляется путем поверки или калибровки средств измерений.
Поверка средств измерений – совокупность операций, выполняемых органами Государственной метрологической службы (другими уполномоченными на то органами, организациями) с целью определения и подтверждения соответствия средства измерений установленным техническим требованиям, т.е. находят погрешности средства измерений и устанавливают его пригодность к применению.
Процедура поверки средств измерений регламентируется требованиями содержащимися в различных документах (государственных стандартах, инструкциях, методических указаниях и др.), соблюдение которых обязательно.
Калибровка средств измерений – совокупность операций, выполняемых с целью определения и подтверждения действительных значений характеристик и (или) пригодности к применению средства измерений, не подлежащих государственному метрологическому контролю и надзору.
Соподчинение государственного эталона, вторичных эталонов, а также системы разрядных эталонов и рабочих средств измерений установлено государственной поверченной схемой.
Поверочная схема – это утвержденный официально документ, устанавливающий средства, методы и точность передачи размеров единиц от государственного эталона рабочим средствам измерений.
Государственные поверочные схемы регламентируются государственными стандартами и распространяются на все средства измерений данного вида, локальные поверочные схемы предназначены для метрологических органов министерств и метрологических служб юридических лиц и должны соответствовать требованиям соподчиненности, которая определена государственной поверочной схемой.
Поверочные схемы состоят из чертежа и текстовой части. На чертеже указывают наименование средств измерений, диапазоны значений физических величин, обозначения и значения погрешностей, наименования методов поверки. Текстовая часть включает вводную часть и пояснения к элементам чертежа.
4. Средства и методы измерений.
Средства измерений (СИ) представляют собой технические устройства, предназначенные для измерений и имеющее нормированные метрологические характеристики. К ним относятся:
меры, измерительные приборы, измерительные преобразователи, измерительные установки и измерительные системы.
Мера – это средство измерения, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера: гири, концевые меры длины, нормальные элементы (меры ЭДС). Меры, воспроизводящие физическую величину одного размера (например, гиря или плоскопараллельная концевая мера длины), называются однозначными. Меры, воспроизводящие ряд одноименных величин различного размера (например, линейка с миллиметровыми делениями), называются многозначными. Широкое применение находят наборы и магазины мер. Указанное на мере или приписанное ей значение величины является номинальным значением. Разность между номинальным и действительным значениями называется погрешностью меры, которая является метрологической характеристикой меры.
Особую категорию средств измерений составляют стандартные образцы состава (чистые металлы, образцы марки стали, газовые смеси и др.) и свойств веществ и материалов (образец твердости, образец цвета и др.). Стандартные образцы – средства измерений в виде вещества (материала), состав и свойства которых установлены при метрологической аттестации. В последние годы они нашли широкое применение в метрологической деятельности и в практике измерений.
Измерительный прибор – средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для передачи непосредственного восприятия наблюдателем. Измерительные приборы по способу получения результата измерений подразделяют на показывающие (аналогичные и цифровые) и регистрирующие (самопишущие и печатающие). Для измерительных приборов обязательно должны быть нормированы: цена деления шкалы, пределы шкалы аналоговых приборов, выходной код, число его разрядов, номинальная цена единицы наименьшего разряда кода для цифровых приборов. Кроме того, нормируются и другие характеристики, оказывающие влияние на результат измерения.
Измерительный преобразователь – средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки или хранения. В нем в отличие от измерительного прибора сигнал на выходе не может восприниматься наблюдателем. Измеряемая величина, поступающая на измерительный преобразователь, называется входной, преобразованная – выходной. Соотношение, устанавливающее связь между входной и выходной величинами, называется функцией преобразования измерительного преобразователя и является для него основной метрологической характеристикой. Функция преобразования может быть выражена формулой, графиком, таблицей.
Для категории средств измерений, охватывающей измерительные приборы и измерительные преобразователи, применяют термин " измерительное устройство ".
Измерительная установка – совокупность функционально объединенных средств измерений (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств, предназначенных для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем, и расположенных в одном месте.
Измерительная система – совокупность средств измерений (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств, которые соединены между собой каналами связей и предназначены для выработки сигналов измерительной информации форме, удобной для автоматической обработки передачи и (или) использования в автоматических системах управления.
По метрологическому назначению средства измерений подразделяют на два вида: рабочие средства, которые предназначены для получения результатов измерений при решении различных производственных задач, и эталоны, которые служат для воспроизведения, хранения и передачи размеров единиц рабочим средствам измерений. Государственные и рабочие эталоны хранят и применяют государственные научные метрологические центры. Эталоны (бывшие образцовые средства измерений) предназначены только для передачи размеров единиц, их хранят и применяют органы государственной метрологической службы и метрологические службы юридических лиц. Поэтому увязка рабочих средств измерений с государственным эталоном является исключительно метрологической задачей, и выполняют ее аттестованные в установленном порядке специалисты-метрологи.
Для получения результата измерения средства измерений применяются по определенному методу. Под методом измерений понимают совокупность приемов использования принципов и средств измерений. Принципы измерения определяют те физические явления, на которых основаны измерения. Все методы измерения поддаются систематизации и обобщению по общим характерным признакам.
Метод непосредственной оценки – значение величины определяют непосредственно по отчетному устройству измерительного прибора прямого действия, в котором предусмотрено преобразование сигнала измерительной информации в одном направлении, т.е. без применения обратной связи (например, измерение температуры ртутным термометром). Для измерения методом непосредственной оценки применяют очень много приборов различных видов: манометры, амперметры, расходомеры, барометры и др. Достоинствами этого метода является быстрота получения результата измерения, возможность непосредственного наблюдения за изменениями измеряемой величины. Однако его точностные возможности ограничены погрешностями градуировки прибора.
