Введение. Рекомендовано к печати Учебно-методическим центром

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗМЕРЕНИЙ

И ЭТАЛОНЫ

Учебное пособие

Рекомендовано к печати Учебно-методическим центром

КНИТУ – КАИ им. А.Н.Туполева

Казань 2014

Лекция 1

1. Виды, средства и методы измерения

физических величин и эталоны

Введение

Современное состояние и перспективы развития техники измерений физических величин

Современная информационно-измерительная техника располагает средствами измерения около двухсот различных физических величин – электрических, магнитных, тепловых, акустических, механических и т.д. Подавляющее большинство этих величин в процессе измерения преобразуется в величины электрические как наиболее удобные для передачи, усиления, математической обработки и точного измерения. Поэтому в современной измерительной технике находят широкое применение преобразователи разного рода физических величин в электрические величины[2].

Термин «измерительный преобразователь» употребляется в настоящее время достаточно широко и в разных смыслах. В данном методическом пособии под измерительным преобразователем понимается элементарный измерительный преобразователь, выполненный на основе определенного физического принципа: емкостный, магнитоупругий, пьезоэлектрический преобразователь и т. д.[1].

Для обозначения совокупности измерительных преобразователей, объединенных в один конструктивный узел, выносимый на объект измерения, сохранен укоренившийся в практике термин «датчик».

Научно-технический прогресс во всех отраслях науки и техники тесно связан с ростом требований к объему и качеству измерительной информации. Информация, генерируемая в процессе измерений, теперь уже является не только источником получения новых знаний или средством проверки научных гипотез, но используется непосредственно для управления технологическими процессами. Поэтому от качества измерительной информации в конечном итоге зависит качество продукции, эффективность ее производства и использования[3].

1.1 Понятие материи

Главной стратегией в промышленно развитых странах является работа без брака, т.е. производство с нулевым уровнем дефектности. Эта стратегия обеспечивает постоянный рост производительности труда и повышение потребительских свойств изделий при одновремённом снижении себестоимости за счёт уменьшения материальных и энергетических затрат.

Эта стратегия повышает конкурентоспособность продукции на международном рынке за счет повышения её качества. При этом качество делается объектом измерения так, чтобы показатели качества однозначно определялись независимо от того кто это делает при повторных проверках.

Техника измерений, базирующаяся на своих научных, технических, материальных, персональных, организационных, экономических, идеологических, терминологических и административных основах, включает теорию и практику измерений, государственную и ведомственные службы метрологического обеспечения, национальные и международные организации по измерительной технике и метрологии. Всё это обеспечивает как в национальном, так и в международном масштабе наилучшие предпосылки для получения однозначной, правильной, объективной, сопоставимой и взаимопризнаваемой информации о состоянии технических объектов и процессов.

Исключительную важность для развития информационной технологии имеет микроэлектроник. Она привела к качественному преобразованию техники измерений в так называемую интеллектуальную технику измерений. Она обеспечивает получение объективной компьютеризированной измерительной информации.

Необходимая для систем автоматического проектирования и автоматизированного производства интеллектуальна техника измерений (ИТИ) качества обеспечивает тесную увязку информации, качества и техники измерений.

Эта техника в результате действий и принятия соответствующих решений позволяет объективно на основе компьютеризации оценивать, описывать и обеспечивать качество, а так же сравнивать его путём измерений с образцом качества. При этом субъективно оцениваемые показатели качества могут быть приведены к измеряемым показателям. ИТИ качества как новейшая ключевая технология базируется: по своему содержанию – на теоретических знаниях и практическом использовании естественных, технических и общественных наук, которые необходимы для внедрения индустриализованных исследований и наукоёмкой промышленной продукции; по применяемым приборам – на новейших измерительных и информационных средствах, включая вычислительную технику; по программной технике – на независимом от исполнителя однозначном описании процессов измерений, испытаний, обеспечения качества, включая программные средства вычислительной техники; в организационном отношении – на ведомственной и государственной системах метрологического обеспечения, стандартизации и обеспечения качества.

В течение длительного исторического периода развития средств измерений определялось в основном созданием новых технических средств. Можно выделить этапы этого развития:

1. Механические измерения с помощью механических средств.

2. Механические измерения с помощью оптико-механических средств. 3. Электрические измерения с помощью электромеханических средств. 4. Электронные измерения с помощью электровакуумных приборов. 5. Электрические измерения неэлектрических величин.

Современная информационно-измерительная техника располагает средствами измерения более двухсот различных физических величин характеризующих состояние окружающей нас материи. Материя – это «философская категория для обозначения объективной реальности, которая дана человеку в его ощущениях, которая копируется, фотографируется, отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них» (В.И. Ленин). Материя – это бесконечное множество всех существующих в мире объектов и систем, всеобщая субстанция, субстрат любых свойств, связей, отношений и форм движения.

Материя включает в себя не только все непосредственно наблюдаемые объекты и тела природы, но и все те которые в принципе могут быть познаны в будущем на основе совершенствования средств наблюдений и эксперимента. Весь окружающий мир представляет собой движущуюся материю в её бесконечно разнообразных формах и проявлениях, со всеми её свойствами, связями и отношениями. Никакое свойство и форма движения не могут существовать сами по себе, они всегда присущи определённым материальным образованиям, которые являются их субстратом. Понятие субстанции в этом смысле оказывается эквивалентно также понятию всеобщего материального субстрата различных процессов и явлений в мире. Признание субстанциональности и абсолютности материи эквивалентно также принципу материального единства мира, который подтверждается всем историческим развитием науки и практики. Но важно учитывать, что сама материя существует в виде бесконечного многообразия конкретных образований и систем. В структуре каждой из этих конкретных форм материи не существует какой-то первичной, бесструктурной и неизменной субстанции.

Каждый материальный объект обладает неисчерпаемым многообразием структурных связей, способен к внутренним изменениям, превращениям в качественно иные формы материи. «Сущность» вещей или «субстанция» тоже относительны; они выражают только углубление человеческого познания объектов, и если вчера это углубление не шло дальше электрона и эфира, то диалектический материализм настаивает на временном, относительном, приблизительном характере всех этих вех познания природы прогрессирующей наукой человека (В.И.Ленин) Электрон так же неисчерпаем, как и атом, природа бесконечна. Для прогресса научных знаний всегда важно выявление того материального субстрата, который лежит в основе исследуемых в данный период явлений, свойств и форм движения объективного мира.

Материальные объекты всегда обладают внутренней упорядоченностью и системной организацией. Упорядоченность проявляется в закономерном движении и взаимодействии всех элементов материи, благодаря которому они объединяются в системы. Современной науке известны типы материальных систем и соответствующие им структурные уровни материи:

элементарные частицы и поля, атомы, молекулы, макроскопические тела разных размеров, геологические системы, Земля и другие планеты, звёзды, внутри галактические системы (диффузионные туманности, звёздные скопления и др.), Галактика, система галактик, Метагалактика (границы и структура которой пока ещё не установлены).

Число известных элементарных частиц постоянно увеличивается и превышает уже 300 разновидностей. Устойчивых же разновидностей немного: фотоны (кванты электромагнитного поля), гравитоны (гипотетические кванты гравитационного поля), электроны, позитроны, нейтрино, протоны и антипротоны.

Материальное единство мира имеет множество конкретных форм проявления, последовательно раскрываемых наукой и практикой. Материальное единство мира проявляется во взаимной связи всех структурных уровней материи, во взаимозависимости явлений микро и мега мира. Оно находит своё выражение также в наличие у материи комплекса универсальных свойств и диалектических законов структурной организации, изменения и развития. К ним относятся её несотворимость и неуничтожимость, вечность существования во времени и бесконечность в пространстве, неисчерпаемость её структуры. Материи всегда присущи движение и изменение, закономерное саморазвитие, проявляющееся в различных формах превращения одних состояний в другие. Движение имеет 5 форм:

1. Механическое

2. Физическое

3. Химическое

4. Общественное.

5. Биологическое.

Всеобщими формами бытия материи является пространство и время, которые не существуют вне материи, как не может быть материальных объектов, которые не обладали бы пространственно-временными свойствами. Универсальное свойство материи – детерминированность всех явлений, их зависимость от структурных связей в материальных системах и внешних воздействий, от порождающих их причин и условий. Взаимодействие приводит к взаимному изменению тел (или их состояний) и отражению. Отражение, проявляющееся во всех процессах, зависит от структуры взаимодействующих систем и характера внешних воздействий.

1.2 Физическая величина и её измерение

Физической величиной называют свойство, общее в качественном отношении многим физическим объектам (физическим системам, их состояниям и происходящим в них процессам), но в количественном отношении индивидуально для каждого объекта.

Индивидуальность в количественном отношении означает, что свойсво может быть для одного объекта в определённое число раз больше и меньше, чем для другого. Если Х - измеряемая величина, U – единица измерения, А – числовое значение измеряемой величины в принятой единице, то результат измерения величины Х может быть представлено Х=АU. Это уравнение называют основным уравнением измерения. Общим в качественном отношении для объектов является U, в количественном отношении индивидуальность объектов заключается в различном А для каждого из них.

Количественное содержание в данном объекте свойства, соответствующего понятию «физическая величина», называется размером физической величины. Оценку физической величины в виде некоторого числа А принятых для неё единиц измерения называют значением физической величины. Например, 500 Ом – значение сопротивления резистора. Из основного уравнения измерения также следует, что чем меньше выбранная единица измерения, тем больше для данной измеряемой величины будет числовое значение. Результат всякого измерения является именованным числом. Если при измерении величины Х вместо единицы взять другую единицу U₁, то основное уравнение измерения будет X=A₁U₁ тогда AU=A₁U₁ или A₁=A U/U₁ т.е. для перехода от результата измерения А к А₁ в другой единице, необходимо А умножить на отношение принятых единиц.

Различают истинное и действительное значение физической величины. Истинным значением физической величины называют такое её значение, которое идеальным образом отражает в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта. Значение физической величины, найденное эксперементальным путём и настолько близкое к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него, называют действительным значением физической величины. Нахождение значения физической величины с помощью специальных технических средств называют измерением.

Всякое измерение сводится к сравнению размера данной величины с размером одноимённой величины, принятой за единицу. Найденное значение величины называют результатом измерения.

1.3 Виды измерений физических величин.

В зависимости от способа нахождения значения физической величины измерения подразделяются на прямые, косвенные, совокупные и совместные.

Рис 1.1Виды измерений

Прямыми называют измерение, при котором искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных, т.е. результат выражается непосредственно в тех же единицах, что и измеряемая величина Z. X=Z. (длинна – метром, температура – термометром, давление – манометром и.т.д.)

Косвенные измерения характеризуются тем, что результат измерения получается на основании прямых измерений нескольких других величин, (Х₁, Х₂ ….) связанных с искомой некоторой функциональной зависимостью Y=f(X₁,X₂,X₃…). (Например, измерение мощности Р на резисторе по I и U) (P=IU) Косвенные измерения применяются в технике и науке в тех случаях, когда невозможно или сложно измерить непосредственным путём прямого измерения или когда косвенные измерения позволяет получить более точные результаты.

К совокупным измерениям относятся производимые одновремённо измерения нескольких одноимённых величин, при которых искомое значение величин находятся решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин, например, измерения, при которых размеры ёмкостей набора конденсаторов находят по известному размеру ёмкости одного конденсатора и по результатам прямых сравнений размеров ёмкостей различных сочетаний конденсаторов (L₀₁=L₁+L₂+2M; L₀₂=L₁+L₂-2M → взаимоиндуктивность M=L₀₁L₀₂/4).

К совместным измерениям относятся производимые одновремённо измерения двух Например или нескольких неодноимённых величин для нахождения зависимости между ними., нахождения электрического сопротивления и температурного коэффициента сопротивления измеряемого резистора при t^o=20 ^oC по данным прямых измерений сопротивления при различных температурах. R_T=R_o(1+k∆T)

1.4 Средства измерений физических величин.

Измерения выполняются с помощью специальных технических средств, имеющих нормированные метрологические свойства, оказывающие влияние на результаты и погрешности измерения. В число средств измерений входят меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки и измерительные системы.

Мерой называется средство измерений, для воспроизведения физической величины заданного размера. Например: мера частоты электронных колебаний - частота кварцевого генератора; массы - гиря и т.д. Она может быть в виде тела или устройства, хранящего и (или) воспроизводящего физическую величину заданного размера. Различают однозначную меру, воспроизводящую физическую величину одного размера (например конденсатор C=Const); Набор мер – набор ёмкостей, части которого могут применяться как отдельно, так и в различных сочетаниях; и многозначную меру, воспроизводящую ряд одноименных величин различного размера (конденсатор переменной ёмкости, перестраиваемый генератор и т.д.). В общем случае мера может содержать

Рис 1.2 Процесс преобразования измерительной информации

Измерительные преобразователи. Все большую роль в средствах измерений, особенно автоматизированных, играют измерительные преобразователи (ИП) (датчики), предназначенные для преобразования измерительного сигнала в форму, удобную для передачи, дальнейшего преобразования, хранения и обработки, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем. Измерительные преобразователи имеют нормированные метрологические характеристики, конструктивно они, как правило, оформлены в самостоятельное средство измерения, но иногда являются встроенной частью измерительного прибора. Одним из основных требований к ним является их унификация и стандартизация с целью сопряжения со средствами измерения, использования в измерительных системах, встраивания в объект измерения.

Измерительные преобразователи делятся на передающие, служащие для преобразования физической величины в другую физическую величину и передачи ее на расстояние; масштабные, предназначенные для изменения значения измеряемой величины в заданное число раз без изменения ее физической природы; примером передающего ИП- индукционный, масштабно-измерительный усилитель, делитель напряжения, измерительный трансформатор), и первичные, к которому подведена измеряемая величина, т.е. первый в цепи преобразований информации. Измерительные преобразователи можно классифицировать по роду измеряемых величин на ИП электрических и неэлектрических величин, которые в свою очередь классифицируют по преобразуемой физической величине, а далее по методам и средствам измерения.

Тока и напряжений Резистивных

Мощности Пьезоэлектрических

Параметров линейных Механических

Компонентов Электростатических

Параметров трактов(с Электромагнитных

распределенными Электромеханических

параметрами) Гальваномагнитных

Формы сигнала Электрохимических

Частоты Тепловых

Фазы Оптоэлектронных

Добротности Микроэлектронных

Шума Биологических

Интервала времени Ядерных

Спектра сигнала Акустических

Формы сигнала Химических

Ионизационных

. Классификация основных типов первичных измерительных преобразователей

По виду и форме выходного сигнала ИП могут быть:

1. аналоговые, в которых осуществляется непрерывная функциональная зависимость между входным и выходным сигналами и обе величины постоянно действуют при преобразовании

2. ИП с дискретным или частотным выходом, имеющий входную непрерывную величину и осуществляющий выдачу пропорционального выходного импульсного или частотного сигнала

3. измерительные нормирующие преобразователи, у которых выходная величина представляет собой унифицированный и стандартизированный сигнал.

4. ИП с релейным выходным сигналом, который контролирует предельные допустимые значения физической величины

5. ИП с цифровым выходным сигналом, в которых входная физическая величина преобразуется в пропорциональный цифровой код

Измерительным прибором называется средство измерений, вырабатывающее сигнал измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем или его регистрации (вольтметр, осциллограф, частотомер). Измерительный прибор в общем случае содержит измерительную цепь, состоящую из преобразовательных элементов; меру; элемент сравнения; измерительный механизм, устройства отсчета или регистрации показаний. В частных случаях в этой цепи из перечисленных элементов что-то может отсутствовать.

Измерительной установкой называется совокупность функционально объединенных средств измерений (мер, измерительных преобразователей, приборов) и вспомогательных устройств, предназначенных для выработки сигналов.

Образцовым средствомизмерений называют: меру, измерительный прибор, измерительный преобразователь, которые служат для поверки по ним других средств измерений и утверждены в качестве образцовых.

Рабочее средство измерений – средство, применяемое для измерений, не связанных с передачей размера единицы. К рабочим средствам относят приборы, которыми пользуются в повседневной практике. В зависимости от способа использования рабочие средства могут быть разделены на три группы:

1. Рабочее средство измерений общего назначения – наиболее распространённые средства измерений предназначенные для использования в составе различных технических средств, независимо от назначения последних.

2. Специальные рабочие средства измерений (сервисные) – средства узкого назначения, пригодные для использования только в определённых условиях.

3. Встроенные средства измерения – средства, конструктивно входящие в состав технического устройства.

Измерительной установкой называется совокупность средств измерений с выдачей информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем и расположенная в одном месте. (Например – установка для поверки вольтметров).

Измерительной системой называется совокупность средств измерений, (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств, соединённых между собой каналами связи, предназначенная для выработки сигналов измеряемой информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования в автоматических системах управления. В зависимости от выполняемых метрологических функций, средства измерений делятся на эталоны, образцовые и рабочие средства измерений.

1.5 Эталоны физических величин

Эталоном единицыназывается средство измерений (или комплекс средств измерений), обеспечивающее воспроизведение и (или) хранение единицы физической величины с целью передачи её размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений, выполненное по особой спецификации и официально утверждённое в установленном порядке в качестве эталона. В зависимости от точности воспроизведения (хранения) эталоны разделяются на первичные, специальные, вторичные и рабочие.

Эталон может быть государственным – исходным для страны. При этом государственный эталон является первичным, воспроизводящим или хранящим единицу физической величины, специальным, заменяющим первичный эталон для воспроизведения единицы в особых условиях. Для обеспечения нужд отраслевых метрологических служб применяются вторичные эталоны, размер единицы которым передается от первичного (специального) эталона. В некоторых случаях, когда не представляется возможным создать эталонное средство измерений, допускается применение так называемого группового эталона, состоящего из однотипных средств измерений (например образцовых или рабочих). Размер единицы физической величины, хранимой групповым эталоном, определяется в соответствии с принятым алгоритмом обработки значений физической величины, воспроизводимых отдельными средствами измерений, входящими в состав группового эталона.

Для обеспечения единства измерений необходима тождественность единиц, в которых должны быть проградуированы все существующие средства измерений одной и той же физической величины. Это достигается путем точного воспроизведения и хранения в специализированных учреждениях установленных единиц физических величин и передачи их размеров применяемым средствам измерения с помощью эталонов. Эталон - средство измерений (или комплекс средств измерений), предназначенное для воспроизведения и хранения единицы физической величины (кратных либо дольных значений единицы этой величины) с целью передачи ее размера другим средствам измерений данной физической величины. Классификация, назначение и общие требования к созданию, хранению и применению эталонов устанавливает ГОСТ 8.057-80 "ГСИ. Эталоны единиц физических величин. Основные положения". Эталон должен обладать взаимосвязанными свойствами: воспроизводимостью, неизменностью и сличаемостью. Воспроизводимость - возможность воспроизведения единицы физической величины (на основе ее теоретического определения) с наименьшей погрешностью для существующего уровня развития измерительной техники. Это достигается постоянным исследованием эталона в целях определения систематических погрешностей и их исключения путем введения соответствующих поправок. Неизменность - свойство эталона удерживать неизменным размер воспроизводимой им единицы в течение длительного интервала времени, при этом все изменения, зависящие от внешних условий, должны быть строго определенными функциями величин, доступных точному измерению. Реализация этих требований привела к идее создания "естественных" эталонов различных величин, основанных на физических постоянных. Сличаемость - возможность обеспечения сличения нижестоящих по поверочной схеме, в первую очередь вторичных эталонов, с наивысшей точностью для существующего уровня развития техники измерения. Это свойство предполагает, что эталоны по своему устройству и действию не вносят каких-либо искажений в результаты сличений и сами не претерпевают изменений при проведении сличения. По своему метрологическому назначению эталоны делятся на первичные, специальные и вторичные. Первичный эталон обеспечивает воспроизведение и хранение единицы физической величины с наивысшей в стране (по сравнению с другими эталонами той же величины) точностью. Первичные эталоны - это уникальные средства измерений, которые представляют собой сложнейшие измерительные комплексы, созданные с учетом новейших достижений науки и техники. Первичные эталоны составляют основу государственной системы обеспечения единства измерений. Специальный эталон обеспечивает воспроизведение единицы физической величины в особых условиях, в которых прямая передача размера единицы от первичного эталона с требуемой точностью не осуществима и для этих условий заменяет первичный эталон. Первичный или специальный эталон, официально утвержденные в качестве исходного для страны, называются государственным эталоном. Его утверждение проводит главный метрологический орган страны - Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии. Государственные эталоны создаются, хранятся и применяются центральными метрологическими научными институтами страны. В состав государственных эталонов включаются средства измерения, с помощью которых хранят и воспроизводят размер единицы физической величины с точностью, которая должна соответствовать уровню лучших мировых достижений и удовлетворять потребностям науки и техники, а также средства измерения с помощью которых контролируют условия измерений и неизменность воспроизводимого или хранимого размера единицы и осуществляют передачу размера единицы. Государственные эталоны России периодически сличаются с государственными эталонами других стран. Например, эталон метра и килограмма сличают один раз в 25 лет, эталон света - один раз в три года. Вторичные эталоны являются частью подчиненных средств хранения единиц и передачи их размеров, создаются и утверждаются в тех случаях, когда это необходимо для организации поверочных работ, а также для обеспечения сохранности и наименьшего износа государственного эталона. Вторичные эталоны по своему метрологическому назначению подразделяются на эталоны-копии, эталоны сравнения и эталоны-свидетели. Эталон-копия - предназначен для передачи размера единицы рабочим эталонам. Эталон-копия представляет собой копию государственного эталона только по метрологическому назначению, поэтому он всегда является его физической копией. Эталон сравнения - применяется для сличения эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличаемы друг с другом. Эталон-свидетель - предназначен для проверки сохранности и неизменности государственного эталона и замены его в случае порчи или утраты. Рабочий эталон - применяется для передачи размера единицы от эталона-копии образцовым средствам измерения и в отдельных случаях - наиболее точным рабочим средствам измерений. Эталонная база России имеет около 120 государственных эталонов и более 250 вторичных эталонов единиц физических величин, размещенных в ведущих метрологических научно-исследовательских институтах страны. В области механики в стране созданы и используются 38 государственных эталонов, в том числе первичные эталоны метра, килограмма и секунды, точность которых имеет чрезвычайно большое значение, поскольку эти единицы участвуют в образовании производных единиц всех научных направлений. Способы выражения погрешностей эталонов устанавливает ГОСТ 8.381-80 "ГСИ. Эталоны. Способы выражения погрешностей". Эталоны единиц системы СИ. Эталон единицы длины. Метр был в числе первых единиц, для которых были введены эталоны. В настоящие время единица длины - метр - это расстояние, которое проходит свет в вакууме за 1/299792458 долей секунды. Это определение метра было принято на XVII Генеральной конференции мер и весов в декабре 1985 г. после утверждения единых эталонов времени, частоты и длины. Эталон единицы времени. Единица времени - секунда - это интервал времени, в течение которого совершается 9 192 631 770 колебаний, соответствующих переходу между двумя сверхтонкими Уровнями основного состояния атома цезия-133 при отсутствии возмущения внешними полями. Краткая история развития эталона единицы длины - метра. С общественно-экономическим развитием человеческого общества возникала потребность в измерениях, в установлении единиц измерений и использовании средств измерений различных физических величин и в первую очередь длины. Так, измерение земельного участка, выделяемого отдельному человеку из земельного владения луговой общины [38], производилось ступнями ног, вплотную поставленными одна впереди другой, или шагами. Отсюда произошло название единицы длины - фут (от англ. foot - нога, ступня). Таким же образом появилась единица длины - дюйм (от голл. duim - большой палец). В качестве более мелких единиц длины издревле применяли ширину зерна (особенно ячменного), толщину волоса верблюда или мула. Приведенные единицы измерений являлись одновременно и мерами, т. е. разновидностью измерительных средств. Размеры измеряемых величин определялись сравнением с этими мерами. Из древнерусских мер (XI -XII вв.), происхождение которых связывают с древнеегипетскими мерами длины, основными являлись верста, сажень, локоть, пядь. Верста (приблизительно 1 140 м) использовалась для оценки относительно больших расстояний. Сажень (около 152 см) получила широкое применение преимущественно при измерении небольших расстояний, в строительстве различных сооружений. Существовали мерные веревки, длина которых была кратна сажени. Локоть (приблизительно 51 см) - расстояние по прямой от локтевого сгиба до конца вытянутого среднего пальца руки. Впервые локоть как мера длины упоминается во времена одного из правителей Киевской Руси Ярослава Мудрого. Локоть широко применяли в розничной торговле холстом, полотном, иноземным сукном. Пядь (18... 19 см) означало кисть руки на древнерусском языке. Это максимальное расстояние по прямой между концами вытянутых большого и указательного пальцев кисти руки. Пядь часто употребляли в обиходе для приближенного определения небольших длин, особенно размеров цилиндрических тел. В древней Руси применялись также сугубо приближенные бытовые меры, неточные и не воспроизводящиеся материально, например перестрел (расстояние, которое пролетела выпущенная из лука стрела, около 60...70 м), день (проходимое за день расстояние). По мере объединения и развития Государства Российского древнерусская система мер длины (1 верста = 750 саженям = 2 250 локтям = 4 500 пядям) претерпевает изменения. Появляется заимствованный с Востока аршин (72 см), с течением времени вытеснивший локоть, и вершок (4,5 см), его доли. Для измерений расстояний между населенными пунктами стали использовать версту в 1 000 сажен, позднее - версту в 500 сажен. В дальнейшем эта мера стала единственной русской верстой. Использование единиц измерений, основанных на размерах человеческого тела, единиц измерений, не имеющих вещественного тела, и единиц измерений, не имеющих вещественного воплощения для непосредственного измерения (например, верста), не обеспечивало единство измерений и их достоверность. Отдельные единицы измерений имели не только отдельные страны, но и внутри стран не было единообразия. Так, при Петре I с целью создания русского флота сложившаяся система единиц (мер) длины увеличилась введением английских мер - фута (304,8 мм), дюйма (25,4 мм), линии (2,54 мм). Это было необходимо для заказа морских судов за фаницей, составления потребных спецификаций и контроля размеров. Кроме того, помимо английского эталона и рабочим средствам измерений высшей точности - образцового средства измерений 1-го разряда. В настоящее время с целью упорядочения терминологии и приближения ее к международной в технической литературе термин "образцовое средство измерений" заменяют термином «рабочий эталон». Одним из самых распространенных образцовых средств измерений являются меры. Мера - это средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью, например-гиря 1 кг, плоскопараллельная концевая мера 50 мм, конденсатор постоянной емкости, штриховая мера длины. С наиболее высокой точностью, посредством мер воспроизводятся основные физические величины: длина, масса, частота, напряжение. Для линейных и угловых величин широко используются меры длины и угловые меры. Меры длины по конструкционным признакам разделяют на концевые и штриховые. Концевые меры длины. Концевые меры длины имеют форму цилиндрического стержня или прямоугольного параллелепипеда с двумя плоскими взаимно параллельными измерительными поверхностями, расстояние между которыми воспроизводит определенное значение длины. Они предназначены для передачи размера от эталона до изделия. С их помощью хранят и воспроизводят размер единицы длины, поверяют и градуируют меры и измерительные приборы, такие, как оптиметры, микрометры, штангенциркули и т.п., поверяют калибры. Штриховые меры длины. Штриховые меры длины - меры, у которых размер, выраженный в определенных единицах, а также размер их частей, определяется расстоянием между осями двух соответствующих штрихов (брусковые штриховые меры, измерительные линейки, рулетки).Штриховые меры длины используются в качестве вторичных и рабочих эталонов, образцовых мер длины при поверке рабочих мер длины, в виде шкал измерительных устройств и станков, а также в инструментах для непосредственного измерения линейных размеров и расстояний. Основные типы, параметры, размеры штриховых мер и технические требования к ним регламентированы ГОСТ 12069-78 "Меры длины штриховые". Штриховые меры изготавливают однозначными и многозначными. Однозначные штриховые меры длины имеют два штриха, нанесенных по концам меры, расстояние между которыми воспроизводит длину шкалы меры (например, вторичные эталоны длины). Многозначные штриховые меры имеют шкалу штрихов, нанесенных через определенные интервалы по всей длине меры или на отдельных ее участках. Шкалы таких многозначных штриховых мер изготовляют с дециметровыми, сантиметровыми или миллиметровыми делениями (например, линейки, рулетки, шкалы измерительных средств). В зависимости от точности изготовления действительной длины шкалы штриховых мер для различных интервалов шкал от 100 до 4 000 мм установлено шесть классов точности в порядке понижения точности: 0; 1; 2; 3; 4; 5. Для метрологических целей применяют образцовые штриховые меры, которые аттестуют на разряды: образцовые штриховые меры длиной 1 м 1-го и 2-го разрядов, образцовые измерительные рулетки 1-го и 2-го разрядов, образцовые шкалы 1-го и 2-го разрядов. Образцовая штриховая мера длиной 1 м 1-го разряда - жесткая металлическая линейка 4, имеющая скошенные (один или оба) края под углом 45° или 35°. На наклонных поверхностях нанесены шкалы - основная с ценой деления 0,2 мм и вспомогательная с ценой деления 1 мм. Мера снабжена направляющим ребром 3, по которому могут перемещаться две лупы 1 с семикратным увеличением, и термометром 2, для внесения соответствующей температурной поправки при разных материалах поверяемой и образцовой меры. Допускаемая погрешность шкалы одно метровой образцовой штриховой меры 1-го разряда составляет ±0,05 мм, а погрешность аттестации ±0,01 мм. По образцовым штриховым мерам 1-го разряда поверяют штриховые меры 2-го разряда и высокоточные рабочие средства измерений, по штриховым мерам 2-го разряда поверяют рабочие средства измерений (рулетки, линейки, шкалы измерительных приборов). Угловые меры. Призматические угловые меры предназначены для хранения и передачи единицы плоского угла: поверки и градуировки угломерных средств измерения, угловых шаблонов, а также для непосредственного контроля углов изделий. Меры применяют в качестве образцовых средств для передачи размера угла рабочим мерам, угломерным приборам и устройствам и для поверочных работ. Образцовые многогранные призмы 1-го разряда, класса точности 00 используют для передачи углового размера образцовым мерам 2-го разряда. Образцовые угловые меры 2-го разряда, класса точности 0 используют для передачи углового размера образцовым мерам 3-го разряда. Образцовые угловые меры 3-го разряда, класса точности 1 используют для передачи углового размера образцовым мерам 4-го разряда. Передача размера единицы угла от эталона рабочим средствам измерения осуществляется по поверочной схеме (ГОСТ 8.016-81). Поверочные схемы и методы поверки средств измерения. Обеспечение правильной передачи размера единиц физических величин во всех звеньях метрологической цепи осуществляется посредством поверочных схем. Поверочная схема - нормативный документ, утвержденный в установленном порядке, который устанавливает соподчинение средств измерений, участвующих в передаче размера единицы от эталона к рабочим средствам измерений с указанием методов и погрешности. Поверочные схемы делятся на государственные, ведомственные и локальные. Государственная поверочная схема распространяется на все средства измерений данной физической величины, имеющейся в стране. Она разрабатывается в виде государственного стандарта, состоящего из чертежа поверочной схемы и текстовой части, содержащей пояснение к чертежу. Ведомственная поверочная схема распространяется на средства измерений данной физической величины, подлежащие ведомственной поверке. Локальная поверочная схема распространяется на средства измерений данной физической величины, подлежащие поверке в отдельном органе метрологической службы. Ведомственные и локальные поверочные схемы не должны противоречить государственным поверочным схемам для средств измерений одних и тех же физических величин. Они могут быть составлены при отсутствии государственной поверочной схемы и должны состоять из не менее двух ступеней передачи размера. Ведомственная и локальная поверочные схемы оформляются в виде чертежа. Чертеж любой поверочной схемы должен содержать: - наименование средств измерений и методов поверки; - номинальные значения физических величин или их диапазоны; - допускаемые значения погрешностей средств измерения; - допускаемые значения погрешностей методов поверки. Основные положения о поверочных схемах, правила расчета параметров поверочных схем и оформление чертежей поверочных схем приведены в ГОСТ 8.061-80 «ГСИ». Поверочные схемы. Содержание и построение" и в инструкции МИ 83-76 "Методика определения параметров поверочных схем". Методы поверки средств измерений. Поверка - это операция, заключающаяся в установлении пригодности средства измерений к применению на основании экспериментально определяемых метрологических характеристик и контроля их соответствия предъявляемым требованиям. Основной метрологической характеристикой, определяемой при поверке средства измерений, является его погрешность. Она находится на основании сравнения поверяемого средства измерений с более точным - рабочим эталоном или образцовым средством измерений. Различают поверки: государственную и ведомственную, периодическую и независимую, внеочередную и инспекционную, комплексную и др. Основные требования к организации и порядку проведения поверки приведены в правилах по метрологии ПР 50.2.006-94 ТСИ. Поверка средств измерений. Организация и порядок проведения". Поверка выполняется метрологическими службами, которым Дано на это право. Средство измерений, признанное годным к применению, оформляется выдачей свидетельства о поверке, нанесением поверительного клейма или иными способами, устанавливаемыми нормативно-техническими документами. Меры могут быть проверены путем: - сличения с более точной мерой посредством компарирующего прибора. Сличение мер с помощью компаратора осуществляйся методами противопоставления или замещения. Общим для этих методов поверки средств измерения является выработка сигнала наличия разности размеров сравниваемых величин. Если подбо ром образцовой меры этот сигнал будет сведен к нулю, то peaлизуется нулевой метод измерения; - измерения воспроизводимой мерой величины измерительными приборами соответствующего класса точности. В этом случае поверка называется градуировкой. Градуировка - нанесение отметок на шкалу, соответствующих показаниям образцового средства измерений или же определение по его показаниям уточненных значений величины, соответствующих нанесенным отметкам на шкале рабочего средства измерений; - калибровки, когда с более точной мерой сличается лишь одна мера набора или одна из отметок шкалы многозначной меры, а действительные размеры других мер определяются их взаимным сравнением в различных сочетаниях на приборах сравнения и при дальнейшей обработке результатов измерений. Поверка измерительных приборов проводится методами: - непосредственного сравнения измеряемых величин и величин, воспроизводимых образцовыми мерами соответствующего разряда; - непосредственного сличения показаний поверяемого и образцового средства измерений при измерении одной и той же величины. Существуют и другие методы поверки, которые используются метрологическими службами гораздо реже.

1.6 Методы измерений.

Методом измерения, называется совокупность приёмов использования физических явлений, на которых основаны измерения и средства измерений. Различают два метода измерений. 1. Непосредственной оценки 2. Сравнения с мерой.

Метод непосредственной оценки заключается в определении значения физической величины по отсчётному устройству измерительного прибора прямого действия (Например – амперметра). При Методе сравнения с мерой значение измеряемой величины находят путём сравнения её с величиной, воспроизводимой мерой.

Наиболее распространённым является метод непосредственной оценки, но его точность зависит от точности измерительного прибора. Точность метода сравнения с мерой может быть значительно более высокой и зависит от его разновидностей:

- Метод противопоставления, в котором измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, воздействуют на прибор сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение между ними.

- Дифференциальный метод, в котором на измерительный прибор воздействует разность между измеряемой величиной и известной величиной, воспроизводимой мерой.

- Нулевой метод, при котором результирующий эффект воздействия величины на прибор сравнения доводят до нуля.

- Метод замещения, при котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой.

- Метод совпадений, в котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов.

Указанные методы измерений определяют принципы построения измерительных приборов.

1.7 Классификация преобразований

Точность измерительной информации определяется происходящими физическими процессами и явлениями. Измерительное преобразование представляет собой отражение размера одной физической величины, размером другой физической величины, функционально с ней связанной. Работа измерительных преобразователей протекает в сложных условиях, т.к. объект измерения – это, как правило, сложный, многогранный процесс, характеризующийся множеством параметров, каждый из которых действует на измерительный преобразователь совместно с остальными параметрами, а нас же интересует одно частное измерительное преобразование, основанное на определённом физическом принципе, который называется измеряемой величиной, а все остальные параметры процесса считаются помехами. Поэтому у каждого ИП целесообразно установить его естественную входную величину, которая лучше всего воспринимается им на фоне помех. Подобным образом можно выделить естественную выходную величину преобразователя. По виду естественной выходной электрической величины преобразователи классифицируются на две большие группы: Генераторные (с выходной величиной e=f(x) или i=f(x) и внутренним сопротивлением Z_вн=const) и Параметрические (с ЭДС е=0 и выходной величиной в виде изменения R, L или C в функции Х).

Каждый измерительный преобразователь имеет свою функцию преобразования, т.е. функциональную зависимость выходной величины от входной, описываемой аналитическим выражением или графиком. Чаще стремятся иметь линейную характеристику преобразователя, т.е. прямую пропорциональность между изменением входной величины ∆Х и соответствующим приращением выходной величины ∆λ преобразователя. Для описания линейной характеристики преобразователя λ=y(x)= λ_o+S∆X достаточно двух параметров: начального значения выходной величины λ_o (нулевого уровня), соответствующего нулевому (или какому-либо другому характерному) значению входной величины Х, и показателя относительного наклона характеристики S=∆λ/∆x, называемого чувствительностью преобразователя. Чувствительность преобразователя – это, как правило, именованная величина с разнообразными единицами, зависящими от природы входной и выходной величины. Для реостатного преобразователя единица S – Ом/мм; термопары мВ/К, фотоэлемента мкА/лм и.т.д. Чувствительность прибора состоящего из последовательного ряда измерительных преобразователей, определяется произведением чувствительностей всех преобразователей, образующих канал передачи информации. Например в приборе для регистрации быстрых линейных перемещений, состоящего из датчика, измерительного неравновесного моста, усилителя и вибратора магнитоэлектрического осциллографа. Пусть датчик при воздействии на него измеряемого перемещения 1 мм. Изменяет своё сопротивление на 1% начального значения. Тогда его чувствительность S_Д=1%/мм. Датчик включен в мост, который уравновешен т.е. Х=0.

При отклонении Х от 0 мост выходит из равновесия, и на его выходе возникает напряжение. Если при изменении сопротивления датчика на 1% на выходе моста появляется напряжение 10мВ, то чувствительность моста S_m=10mB/%. Напряжение с моста подаётся на вход усилителя, и если чувствительность усилителя составляет S_ус=10мА/мВ, то выходной ток усилителя, поступающий в вибратор осциллографа будет равен 100 мА. При чувствительности вибратора S_в=1мм./мА этот ток вызовет отклонение луча вибратора на 100 мм. Таким образом результирующая S=S_д*S_м*S_ус*S_в=100мм/мА. Существует понятие реальной и номинальной характеристик и погрешности преобразователя. При градуировке серии однотипных преобразователей оказывается, что их характеристики несколько отличаются друг от друга, занимая некоторую полосу. Поэтому в паспорте ИП приводится некоторая средняя характеристика, называемая номинальной. Разность между номинальной и реальной характеристиками, является погрешность.