Днепропетровский государственный технический университет железнодорожного транспорта

Кафедра теплотехники

Арестов А.П.

Конспект лекций по дисциплине «Метрология и стандартизация».

Часть 1. Метрология.

Днепропетровск – 1998

1.Предмет и задачи метрологии.

1.1 Основные термины, применяемые в метрологии.

Термин «метрология» произошел от греческих слов: метрос – мера, логос – учение, слово. В современном понимании это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. К основным направлениям метрологии относятся: общая теория измерений; единицы физических величин и их системы; методы и средства измерений; методы определения точности измерений; основы обеспечения единства измерений и единообразия средств измерения; эталоны и образцовые средства измерений; методы передачи размеров единиц от эталонов и образцовых средств измерений рабочим средствам измерений. Часть из них имеют научный характер. Другая часть относится к законодательной метрологии. Законодательный характер метрологии обуславливает стандартизацию ее терминов и определений.

Физическая величина – свойство, общее в качественном отношении многим физическим объектам, но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта.

Измерение – нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Под измерением понимается процесс экспериментального сравнения данной физической величины с однородной физической величиной, значение которой принято за единицу.

Единица физической величины – физическая величина, которой по определению присвоено значение, равное 1.

Единицы физической величины представляют собой вспомогательный аппарат, применимый при изучении объектов природы. Принципиально можно представить бесконечное множество единиц физических величин. Но практика выдвигает требование единства измерений, которое можно обеспечить при любой системе единиц. Однако для сопоставления результатов измерений без пересчетов (при переходе от одной системы единиц к другой) необходимо, чтобы результаты измерений выражались в узаконенных единицах.

Единство измерений – состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности измерений известны с заданной вероятностью. Как ясно из определения, это понятие включает не только выполнение условия единства используемых единиц физических величин, но и значение погрешности измерения.

Средство измерений – техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические свойства. По техническому назначению средства измерений подразделяются на меры, измерительные приборы, измерительные преобразователи, вспомогательные средства измерений, измерительные установки и измерительные системы.

Мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера (кварцевый генератор является мерой частоты электрических колебаний). Мера, воспроизводящая ряд одноименных величин различного размера, называется многозначной (конденсатор постоянной емкости выполняет роль однозначной меры, а конденсатор переменной емкости – многозначной). Часто используется набор мер – специально подобранный комплект мер, применяемых не только отдельно, но и в различных сочетаниях для воспроизведения ряда одноименных величин различного размера.

Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Измерительные приборы бывают аналоговые и цифровые, показывающие и регистрирующие.

Измерительный преобразователь – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем. Первичным называется преобразователь, являющийся первым в электрической цепи и к которому непосредственно подводится измеряемая величина. Передающий измерительный преобразователь предназначен для дистанционной передачи сигнала измерительной информации; масштабный измерительный преобразователь – для изменения измеряемой величины в заданное число раз.

Вспомогательное средство измерений – средство измерения величин, влияющих на метрологические свойства другого средства измерений при его применении. Эти средства применяют для контроля за поддержанием значений влияющих величин в заданных пределах.

Измерительная установка – совокупность функционально объединенных средств измерений (мер, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной (для автоматической обработки, передачи и использования в АСУ) для непосредственного восприятия наблюдателем и расположенная в одном месте.

Измерительная система – совокупность средств измерений (мер, И.П., И.Пр.) и вспомогательных устройств соединенных между собой каналами связи, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме удобной для автоматической обработки, передачи и использования в АСУ.

1.2 Классификация измерений.

По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения делятся на статические и динамические.

Статические измерения соответствуют случаю, когда измеряемая величина остается постоянной.

Динамические – когда измеряемая величина изменяется.

По способам получения результатов различают прямые, косвенные, совокупные и совместные измерения.

Прямыми называются измерения, при которых искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных. При этом измеряемую величину сравнивают с мерой измерительными приборами, градуированными в требуемых единицах (сила тока – А – метром).

При косвенных измерениях искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. Косвенные измерения широко распространены в тех случаях, когда искомую величину невозможно или сложно измерить непосредственно или когда прямое измерение дает менее точный результат.

При совокупных измерениях одновременно измеряют несколько однотипных величин и искомые значения величин находят решая систему уравнений, полученных при прямых измерениях различных сочетаний этих величин.

Совместные измерения – производимые одновременно измерения двух или нескольких одноименных величин для нахождения зависимости между ними.

По способу выражения результатов измерений различают абсолютные и относительные измерения.

Абсолютное измерение основано на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значений физических констант (измерение напряжения в Вольтах).

Относительным называется измерение отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или изменения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.

По используемому методу измерения – совокупности приемов использования принципов и средств измерений различают:

Метод непосредственной оценки, в котором значение величины определяется непосредственно по отсчетному устройству измерительного преобразователя прямого действия.

Метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Этот метод имеет следующие модификации: противопоставления, дифференциальный, нулевой, замещения, совпадений.

Метод противопоставления – измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения с помощью которого устанавливаются соотношения между этими величинами.

Метод дифференциальный – на измерительный прибор воздействует разность измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой.

Метод нулевой – результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля.

Метод замещения – измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой.

Метод совпадений – разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадения отметок шкал или периодических сигналов.

1.3 Основные характеристики измерений.

Принцип измерений – физическое явление или совокупность физических явлений, положенных в основу измерений.

Погрешность измерений – отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины.

Истинное значение физической величины идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующие свойства объекта, но оно остается неизвестным, поэтому с помощью измерений находят такое действительное значение, настолько приближающееся к истинному, что для данной цели может быть использовано вместо него.

Точность измерения – качество измеряемой величины, отражающее близость к нулю систематической погрешностей результатов (т.е. таких погрешностей, которые остаются постоянными или закономерно изменяются при повторных измерениях одной и той же величины). Правильность измерений зависит от того, насколько были верны средства измерений, используемые при эксперименте.

Достоверность измерения – степень доверия к результатам измерений. Измерения для которых известны вероятные характеристики отклонения результатов от истинного значения относятся к достоверным. Наличие погрешности ограничивает достоверность измерений, так как вносит ограничение в число достоверных значащих цифр числового значения измеряемой величины и определяет точность измерений.

Лекции по метрологии

(для студентов заочного отделения)

Часть I . Основы метрологии

Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и требуемой точности.

Единство измерений – результаты выражены в узаконенных единицах и установлены допустимые погрешности.

Метрология определяет как правильно проводить измерения, поэтому является базовой наукой.

В РФ имеется примерно 1,5 млрд. средств измерений (СИ).

Официально началом участия государства в метрологическом деле в России считается 1893 г., когда была создана Главная палата мер и весов. Возглавил ее Д.И. Менделеев. Он и считается первым метрологом России.

В 1930 г. был создан Госстандарт СССР. Сейчас работу в РФ возглавляет Росстандарт. Подразделения государственной метрологической службы (ГМС) Росстандарта:

Научные метрологические центры и НИИ;

Опытные заводы;

Издательства, учебные заведения;

Территориальные органы (областные);

Метрологические службы органов управления и юридических лиц (на каждом предприятии есть метрологическая служба).

В метрологии выделяют три направления:

1. Законодательное (разработка нормативных документов, испытания СИ, утверждение типа СИ, их поверка, калибровка, сертификация, метрологический контроль и надзор).

2. Фундаментальное или научное (разработка новых методов измерений, средств измерений, методов обработки результатов измерений, определения погрешностей).

3. Практическое или прикладное.

Базовые законы по метрологии :

«Об обеспечении единства измерений»

«О техническом регулировании».

Основные метрологические термины и определения

Физическая величина (ФВ) – одно из свойств физического объекта, которое является общим в количественном отношении для многих физических объектов, отличаясь количественным значением.

Отличие: ФВ имеет единицу измерения.

Пример ФВ: ток, напряжение, …

Размер ФВ – количественное содержание ФВ в данном объекте.

Значение ФВ – количественная оценка ФВ в виде некоторого числа единиц данной ФВ.

Единица ФВ – ФВ, которой по определению придано значение, равное единице.

Измерение – нахождение значений ФВ опытным путем с помощью специальных технических средств.

Точность измерений – степень приближения результатов измерений к истинному значению измеряемой величины. Численно оценивается с помощью погрешностей.

Погрешность измерений – отклонение результата измерений от действительного (истинного) значения измеряемой величины.

Действительное значение – значение, определенное экспериментально (с помощью эталонных средств измерений) и настолько близкое к истинному, что может быть за него принято.

Истинное значение – значение, идеально отражающее в качественном и количественном отношении соответствующее свойство данного физического объекта.

Средства измерений (СИ) – технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные погрешности (класс точности).

Единицы измерений. Системы единиц

Все первые единицы измерений были привязаны к телу человека или каким-то широко распространенным предметам.

Так в России для измерения длины:

- пядь – расстояние между большим и средним пальцами;

- аршин – 4 пяди;

- локоть ;

В Англии:

- дюйм (с 1324 г. !) – три круглых сухих ячменных зерна, уложенных по длине;

- фут – 12 дюймов;

- ярд – 3 фута.

В 1496 г. был создан эталон ярда – латунный восьмигранный стержень.

По мере развития измерений изобретались новые единицы измерений и острой стала проблема сопоставимости результатов.

Так в электротехнике к 1870 г. в мире применялось 15 единиц измерения сопротивления, восемь – напряжения, пять – тока и т.д. В 1881 г. состоялся Первый международный электротехнический конгресс, на котором вопросу единых единиц измерения уделили много внимания.

Истории известно несколько международных систем единиц измерения.

С 1963 г. в большинстве стран, в том числе и в России используется система СИ . Она включает семь основных величин (метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, кандела, моль), две дополнительных (радиан и стерадиан) и множество производных (ом, ватт, герц, вольт и т.д.).

Некоторые виды деятельности Росстандарта

1. Утверждение типа СИ .

Оно необходимо для постановки на производство и выпуск в обращение новых типов СИ или ввоз их из-за границы.

Процедура утверждения предусматривает:

Обязательные испытания СИ;

Принятие решения об утверждении типа СИ;

Его регистрацию;

Выдача свидетельства (ранее - сертификата) об утверждении типа СИ.

Утвержденный тип СИ подлежит внесению в Госреестр СИ, который ведет Росстандарт. На СИ утвержденного типа и эксплуатационные документы наносится знак утверждения типа СИ.

Знак утверждения типа СИ

2. Поверка СИ . Поверка СИ заключается в установлении органом ГМС пригодности СИ к применению на основании экспериментально определяемых метрологических характеристик и подтверждения их соответствия установленным требованиям (в первую очередь – указанному на СИ классу точности).

Поверка СИ осуществляется в аккредитованном испытательном центре (лаборатории) аттестованным в качестве поверителя физическим лицом.

Различают поверки:

Первичную, после изготовления;

Периодическую (в эксплуатации, например, раз в год);

а также внеочередную, инспекционную, экспертную.

Знак поверки (голографический)

Для обеспечения единства измерений в стране существует Государственная поверочная схема. Она установлена для обеспечения правильной передачи размеров единиц от эталонов к рабочим СИ. Утверждена схема Росстандартом.

Стрелки на схеме показывают какие менее точные СИ следует поверять СИ данного уровня. Так по эталонным СИ 1-го разряда, например, следует поверять эталонные СИ 2-го разряда, а также рабочие СИ высшей точности.

Эталонные СИ можно применять только для поверки, а рабочие – при любых измерениях. Класс точности эталонного прибора должен быть в 5 раз выше, чем у поверяемого (иногда допускается в 3 раза). На каждом этапе передачи размеров единиц регламентируется метод передачи.

Государственная поверочная схема

Обязательность поверки СИ определяется областью их применения. Закон РФ «Об обеспечении единства измерений» содержит их перечень. Это военная и космическая техника, медицина, торговля, фиксация рекордных результатов в спорте и т.д.

Если же область применения данного СИ в вышеназванный перечень не входит, то в процессе эксплуатации проводят или его поверку добровольно, или калибровку.

Процедура калибровки схожа с процедурой поверки, однако проводить ее могут и не только государственные метрологические службы, но и службы юридических лиц, если они имеют на это право (аккредитование).

3. Лицензирование деятельности по изготовлению, ремонту и продаже СИ.

Лицензия – документально оформленное разрешение, выдаваемое органом государственной метрологической службы на закрепленной за ним территории юридическому или физическому лицу на осуществление им деятельности по изготовлению, ремонту и продаже СИ.

Лица, претендующие на лицензию на изготовление СИ, должны иметь свидетельство об утверждении типа СИ. При этом проверяется наличие помещений, соответствующего оборудования и СИ, уровень подготовленности персонала и т.д.

4. Сертификация СИ – носит добровольный характер.

Знаки сертификации

а) – добровольная

б) – обязательная.

Методы измерений

Метод измерений (МИ) – прием или совокупность приемов сравнения измеряемой величины с ее единицей.

МИ делятся на методы непосредственной оценки , когда измеряемое значение определяют по отсчетному устройству измерительного прибора (например, ток по амперметру) и методы сравнения с мерой , когда в процессе измерений устанавливается равенство или определенное соотношение с мерой. Т.к. в процессе измерений участвует мера, то точность измерений методами второй группы возможна значительно выше, чем у первой, хотя процесс измерений может быть сложнее.

Различают методы одновременного и разновременного сравнения с мерой.

Наиболее известный метод одновременного сравнения – нулевой . При измерениях этим методом действие измеряемой величины А х на индикатор сводится к нулю встречным действием известной величины А 0 . При этом А х = А 0 .

Из методов разновременного сравнения рассмотрим метод замещения . Согласно ему измеряемая А х заменяется известной А 0 , и изменением А 0 цепь приводится в прежнее состояние (например, вместо резистора R x в цепь ставится магазин сопротивлений, и изменением его сопротивления R 0 восстанавливают в цепь прежний ток. При этом R x = R 0 ).

Методики выполнения измерений

С учетом того, что погрешность измерений зависит не только от класса точности, но и от других причин, которые определяются выбранным методом и процедурой измерений (условия измерения; погрешность, вносимая оператором и т.д.) создаются методики выполнения измерений (МВИ).

МВИ – совокупность конкретно описанных операций, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с установленными показателями точности.

МВИ, по сути, прописывает технологический процесс измерений (устанавливает метод и процедуру измерений, условия их проведения, требования к помещениям, оборудованию и оператору, правила обработки результатов измерений, определения погрешностей).

Виды измерений

1. По способу получения результатов измерений:

- прямые – измерения, при которых искомое значение величины получают непосредственно от средства измерений (например, нахождение напряжения по показаниям вольтметра).

- косвенные – измерения, при которых искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям (например, нахождение по закону Ома сопротивления по измеренным напряжению и току).

Совместные – производимые одновременно измерения двух или более неодноименных величин для нахождения зависимости между ними (например, измерения сопротивления и температуры).

2. По характеру зависимости измеряемой величины от времени различают измерения статические и динамические .

3. По количеству равноточных (равной точности) измерений различают измерения однократные и многократные . Преимущество многократных – в значительном снижении влияния случайных факторов на погрешность измерений.

Средства измерений

Средство измерений (СИ) – техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики.

Основные группы СИ:

1. Меры (эталоны). Эталоны – высокоточные меры.

Меры – СИ, предназначенные для хранения и воспроизведения физической величины заданного размера с определенной точностью.

Первичные эталоны воспроизводят единицы ФВ с наивысшей точностью. Например, первичный в РФ эталон времени обеспечивает погрешность не более одной секунды в 500 тысяч лет. От первичного эталона размер передается эталонам-копиям, а от них – разрядным эталонам (см. поверочную схему).

2. Измерительные приборы (ИП) – СИ, предназначенные для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для восприятия наблюдателем.

По форме измерительной информации различают приборы аналоговые (в том числе стрелочные) и цифровые.

Есть ИП показывающие (результат считывается) и регистрирующие (результат прибором фиксируется).

По характеру применения: стационарные (щитовые) и переносные (лабораторные).

3. Измерительные установки – стационарные установки, содержащие несколько измерительных устройств (например, установка для поверки амперметров и вольтметров постоянного тока содержит источники питания, эталонные приборы, резисторы в термостате и др. оборудование).

4. Измерительные преобразователи – СИ, предназначенные для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки или хранения, но не поддающихся непосредственному восприятию наблюдателем.

Основные группы:

Масштабные, ослабляющие или усиливающие измерительный сигнал (измерительные трансформаторы, делитель напряжения, усилители и др.);

Фильтры, отделяющие сигнал от помех;

Аналого-цифровые преобразователи;

Преобразователи неэлектрических величин в пропорциональные им электрические (датчики).

5. Измерительные системы – совокупности функционально объединенных мер, измерительных приборов, преобразователей, компьютеров и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта с целью измерения нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в разных целях.

6. Измерительные принадлежности – устройства, обеспечивающие технику безопасности и удобство измерений.

7. Виртуальные приборы – состоят из персонального компьютера с программным обеспечением и встроенной в него аналого-цифровой платой сбора данных.

Погрешности

Погрешности СИ делятся:

В зависимости от условий возникновения на основные и дополнительные;

В зависимости от изменения во времени измеряемой величины на статические и динамические;

В зависимости от значения измеряемой величины на аддитивные и мультипликативные;

По закономерности проявления – систематические и случайные.

Погрешности СИ можно численно выразить как абсолютную, относительную и приведенную.

Основная – погрешность СИ при его применении в нормальных условиях;

Дополнительная – возникающая дополнительно к основной при применении СИ в условиях, когда влияющие величины (температура, влажность и т.п.) выходят за установленные границы.

Статическая – при измерении не меняющейся во времени величины.

Динамическая – при измерении меняющейся во времени величины.

Аддитивная – не зависящая от размера измеряемой величины.

Мультипликативная – увеличивающаяся с ростом измеряемой величины.

Систематическая – постоянная или закономерно меняющаяся.

Случайная – изменяющаяся случайным образом.

Абсолютная – погрешность СИ, выраженная в единицах измеряемой величины.

Это разность между показанием прибора Х и действительным значением Х д измеряемой величины:

.

Поправка – абсолютная погрешность, взятая с обратным знаком. При сложении поправки с Х получается Х д .

Относительная:

.

Относительная погрешность более информативна, чем абсолютная, т.к. есть привязка к показанию прибора.

Приведенная :

,

где Х Н равен пределу измерений.

Класс точности СИ

Класс точности (К) – обобщенная характеристика точности СИ, выражаемая пределами допускаемых погрешностей.

У аналоговых ИП класс точности выражается одним числом, у цифровых – двумя числами в виде отношения.

У аналоговых:

.

Т.е. класс точности показывает максимально возможную приведенную погрешность. Соответствие прибора этому условию и проверяется при поверке.

Для стрелочных амперметров и вольтметров, например, установлены следующие К:

0,05; 0,1; 0,2; 0,3; 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0.

,

где Х – показания прибора.

У цифровых приборов класс точности выражается в виде c/d , например: 0,1/0,05.

В этом случае:

,

где Х К – конечное значение выбранного диапазона измерений.

Нормируемые метрологические характеристики

средств измерений

Метрологическая характеристика (МХ) – характеристика одного их свойств СИ, влияющая на результат измерений и его погрешность.

При поверке (калибровке) СИ определяют действительные значения МХ и сравнивают с установленными нормами.

МХ нормируют для нормальных условий эксплуатации.

1. Погрешность – основная МХ. Максимально допустимая погрешность СИ определяется его классом точности.

2. Собственная потребляемая из контролируемой цепи мощность (чем меньше, тем лучше, т.к. включение СИ в цепь не должно искажать режим ее работы).

3. Область рабочих частот (диапазон частот).

У измерительных приборов к МХ также относят:

- диапазон показаний – область значений шкалы прибора, ограниченная начальным и конечным значением шкалы;

- диапазон измерений – область значений величины, в пределах которой нормированы (классом точности) допускаемые пределы погрешности. Пределы диапазона измерений на шкале выделяются точками, если они не совпадают с начальным и конечным значениями шкалы.

- чувствительность (например, для амперметра это число делений на ампер);

- цена деления – обратная чувствительности МХ (для амперметра это число ампер на деление).

Локальные поверочные схемы

Для поверки амперметров и вольтметров классов точности 1,0 и больше обычно используется метод непосредственного сличения с эталонным прибором. В основе метода лежит проведение одновременных измерений поверяемым и эталонными приборами. Погрешность определяют как разницу показаний, принимая показания эталонного за действительное значение измеряемой величины.

Предел измерений эталонного прибора выбирается несколько больше предела поверяемого, но не более, чем на 25 %. Класс точности эталонного прибора должен быть в 5 раз выше, чем у поверяемого. (пример: для поверки приборов классов 1,0 подходит эталонный прибор класса 0,2).

Поверка проводится на всех числовых отметках шкалы поверяемого (кроме нулевой) при двух вариантах изменения тока (напряжения): при увеличении («вверх» по шкале) с остановкой на каждой числовой отметке. Затем – тоже «вниз» по шкале.

Для того, чтобы оценить соответствие прибора указанному на нем классу точности, следует сопоставить с ним полученные значения приведенной погрешности. Если все значения
, то прибор классу точности соответствует. Если же хотя бы одно значение превышает К – вывод противоположный.

Напоминание: амперметры включаются при поверке последовательно, а вольтметры – параллельно друг другу.

Вопросы к экзамену по метрологии

для студентов заочного отделения

ч. I . Основы метрологии

Метрология. Основные термины и определения. Метрологические службы в стране.

Утверждение типа средства измерений. Поверка. Лицензирование.

Методы измерений. Методики измерений. Виды измерений.

Средства измерений. Их метрологические характеристики.

Погрешности измерений.

Классы точности.

Поверка амперметров и вольтметров.

ч. II . Электрические измерения

Измерительные приборы.

Аналоговые измерительные приборы. Общие узлы. Обозначения на циферблате.

Шунты, добавочные резисторы, делители напряжения.

Измерительные трансформаторы тока и напряжения.

Магнитоэлектрические приборы.

Омметры. Схемы.

Электродинамические приборы. Схема ваттметра.

Электронно-лучевые осциллографы.

Главная > Конспект

Метрология, стандартизация и сертификация

(конспект лекций) источник /authors/avtor-neizvesten-3/metrology.html 1. Общие вопросы основ метрологии и измерительной техники В практической жизни человек всюду имеет дело с измерениями. На каждом шагу встречаются измерения таких величин, как длина, объем, вес, время и др. Измерения являются одним из важнейших путей познания природы человеком. Они дают количественную характеристику окружающего мира, раскрывая человеку действующие в природе закономерности. Все отрасли техники не могли бы существовать без развернутой системы измерений, определяющих как все технологические процессы, контроль и управление ими, так и свойства и качество выпускаемой продукций. Отраслью науки, изучающей измерения, является метрология. Слово "метрология" образовано из двух греческих слов: метрон - мера и логос - учение. Дословный перевод слова "метрология" - учение о мерах. Долгое время метрология оставалась в основном описательной наукой о различных мерах и соотношениях между ними. С конца 19-го века благодаря прогрессу физических наук метрология получила существенное развитие. Большую роль в становлении современной метрологии как одной из наук физического цикла сыграл Д. И. Менделеев, руководивший отечественной метрологией в период 1892 - 1907 гг. В соответствии с ГОСТ 16263-70 «Метрология. Термины и определения»: метрология – это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Единство измерений - такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности измерений известны с заданной вероятностью. Единство измерений необходимо для того, чтобы можно было сопоставить результаты измерений, выполненных в разных местах, в разное время, с использованием разных методов и средств измерений. Точность измерений характеризуется близостью их результатов к истинному значению измеряемой величины. Точность – величина, обратная погрешности (о ней речь пойдет ниже). Измерительная техника – это практическая, прикладная область метрологии. Измеряемыми величинами, с которыми имеет дело метрология, являются физические величины, т. е. величины, входящие в уравнения опытных наук (физика, химия и др.), занимающихся познанием мира эмпирическим (т. е. опытным) путем. Метрология проникает во все науки и дисциплины, имеющие дело с измерениями, и является для них единой наукой. Основные понятия, которыми оперирует метрология, следующие: - физическая величина; - единица физической величины; - система единиц физических величин; - размер единицы физической величины (передача размера единицы физической величины); - средства измерений физической величины; - эталон; - образцовое средство измерений; - рабочее средство измерений; - измерение физической величины; - метод измерений; - результат измерений; - погрешность измерений; - метрологическая служба; - метрологическое обеспечение и т. д. Дадим определения некоторым основным понятиям: Физическая величина – характеристика одного из свойств физического объекта (явления или процесса), общая в качественном отношений для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальная для каждого объекта (т. е. значение физической величины может быть для одного объекта в определенное число раз больше или меньше, чем для другого). Например»: длина, время, сила электрического тока. Единица физической величины – физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение равное 1, и применяемое для количественного выражения однородных физических величин. Например: 1 м – единица длины, 1 с – времени, 1А – силы электрического тока. Система единиц физических величин – совокупность основных и производных единиц физических величин, образованная в соответствии с принятыми принципами для заданной системы физических величин. Например: Международная система единиц (СИ), принятая в 1960 г. В системе единиц физических величин выделяют основные единицы системы единиц (в СИ – метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин). Из сочетания основных единиц образуются производные единицы (скорости - м/с, плотности – кг/м 3). Путем добавления к основным единицам установленных приставок, образуются кратные (например - километр) или дольные (например - микрометр) единицы. Исторически первой системой единиц физических величин была принятая в 1791 г. Национальным собранием Франции метрическая система мер. Она не являлась еще системой единиц в современном понимании, а включала в себя единицы длин, площадей, объемов, вместимостей и веса, в основу которых были положены две единицы: метр и килограмм. В 1832 г. немецкий математик К. Гаусс предложил методику построения системы единиц как совокупности основных и производных. Он построил систему единиц, в которой за основу были приняты три произвольные, независимые друг от друга единицы - длины, массы и времени. Все остальные единицы можно было определить с помощью этих трех. Такую систему единиц, связанных определенным образом с тремя основными, Гаусс назвал абсолютной системой. За основные единицы он принял миллиметр, миллиграмм и секунду. В дальнейшем с развитием науки и техники появился ряд систем единиц физических величин, построенных по принципу, предложенному Гауссом, базирующихся на метрической системе мер, но отличающихся друг от друга основными единицами. Рассмотрим главнейшие системы единиц физических величин. Система СГС. Система единиц физических величин СГС, в которой основными единицами являются сантиметр как единица длины, грамм как единица массы и секунда как единица времени, была установлена в 1881 г. Система МКГСС. Применение килограмма как единицы веса, а в последующем как единицы силы вообще, привело в конце XIX века к формированию системы единиц физических величин с тремя основными единицами: метр - единица длины, килограмм-сила - единица силы и секунда - единица времени. Система МКСА. Основы этой системы были предложены в 1901 г. итальянским ученым Джорджи. Основными единицами системы МКСА являются метр, килограмм, секунда и ампер. Наличие ряда систем единиц физических величин, а также значительного числа внесистемных единиц, неудобства, связанные с пересчетом при переходе от одной системы единиц к другой, требовало унификации единиц измерений. Рост научно-технических и экономических связей между разными странами обусловливал необходимость такой унификации в международном масштабе. Требовалась единая система единиц физических величин, практически удобная и охватывающая различные области измерений. При этом она должна была сохранить принцип когерентности (равенство единице коэффициента пропорциональности в уравнениях связи между физическими величинами). В 1954 г. Х Генеральная конференция по мерам и весам установила шесть основных единиц (метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, кандела + моль). Система, основанная на утвержденных в 1954 г. шести основных единицах, была названа Международной системой единиц, сокращенно СИ (SI - начальные буквы французского наименования Systeme International). Был утвержден перечень шести основных, двух дополнительных и первый список двадцати семи производных единиц, а также приставки для образования кратных и дольных единиц. В РФ система СИ регламентируется ГОСТом 8.417-81. Размер единицы физической величины – количественная определенность единицы физической величины, воспроизводимой или хранимой средством измерений. Размер основных единиц СИ устанавливается определением этих единиц Генеральными конференциями по мерам и весам (ГКМВ). Так, в соответствии с решением XIII ГКМВ, единица термодинамической температуры, кельвин, установлена равной 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды. Воспроизведение единиц осуществляется национальными метрологическими лабораториями при помощи национальных эталонов . Отличие размера единицы, воспроизводимой национальным эталоном от размера единицы по определению ГКМВ устанавливается при международных сличениях эталонов. Размер единицы, хранимой образцовым (ОСИ) или рабочим (РСИ) средствами измерений, может быть установлен по отношению к национальному первичному эталону. При этом может быть несколько ступеней сравнения (через вторичные эталоны и ОСИ). Измерение физической величины – совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, заключающихся в сравнении (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей с целью получения этой величины в форме, наиболее удобной для использования. Принцип измерений – физическое явление или эффект, положенное в основу измерений тем или иным типом средств измерений. Примеры: - применение эффекта Доплера для измерения скорости; - применение эффекта Холла для измерения индукции магнитного поля; - использование силы тяжести при измерении массы взвешиванием. Виды измерений По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения разделяются на: статические , при которых измеряемая величина остается постоянной во времени; динамические , в процессе которых измеряемая величина изменяется и является непостоянной во времени. Статическими измерениями являются, например, измерения размеров тела, постоянного давления, электрических величин в цепях с установившемся режимом, динамическими - измерения пульсирующих давлений, вибраций, электрических величин в условиях протекания переходного процесса. По способу получения результатов измерений их разделяют на: прямые; косвенные; совокупные; совместные. Прямые - это измерения, при которых искомое значение физической величины находят непосредственно из опытных данных. Прямые измерения можно выразить формулой , где - искомое значение измеряемой величины, а - значение, непосредственно получаемое из опытных данных. При прямых измерениях экспериментальным операциям подвергают измеряемую величину, которую сравнивают с мерой непосредственно или же с помощью измерительных приборов, градуированных в требуемых единицах. Примерами прямых служат измерения длины тела линейкой, массы при помощи весов и др. Косвенные - это измерения, при которых искомую величину определяют на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям, т.е. измеряют не собственно определяемую величину, а другие, функционально с ней связанные. Значение измеряемой величины находят путем вычисления по формуле , где - функциональная зависимость, которая заранее известна, - значения величин, измеренных прямым способом. Примеры косвенных измерений: определение объема тела по прямым измерениям его геометрических размеров, нахождение удельного электрического сопротивления проводника по его сопротивлению, длине и площади поперечного сечения. Косвенные измерения широко распространены в тех случаях, когда искомую величину невозможно или слишком сложно измерить непосредственно или когда прямое измерение дает менее точный результат. Роль их особенно велика при измерении величин, недоступных непосредственному экспериментальному сравнению, например размеров астрономического или внутриатомного порядка. Совокупные - это производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомую величину определяют решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин. Примером совокупных измерений является определение массы отдельных гирь набора (калибровка по известной массе одной из них и по результатам прямых сравнений масс различных сочетаний гирь). Совместные - это производимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для нахождения зависимостей между ними. В качестве примера можно назвать измерение электрического сопротивления при 20 0 С и температурных коэффициентов измерительного резистора по данным прямых измерений его сопротивления при различных температурах. Методы измерений Метод измерения – это способ экспериментального определения значения физической величины, т. е. совокупность используемых при измерениях физических явлений и средств измерений.

Метод непосредственной оценки заключается в определения значения физической величины по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия. Например – измерение напряжения вольтметром. Этот метод является наиболее распространенным, но его точность зависит от точности измерительного прибора. Метод сравнения с мерой – в этом случае измеряемая величина сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой. Точность измерения может быть выше, чем точность непосредственной оценки. Различают следующие разновидности метода сравнения с мерой: Метод противопоставления , при котором измеряемая и воспроизводимая величина одновременно воздействуют на прибор сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение между величинами. Пример: измерение веса с помощью рычажных весов и набора гирь. Дифференциальный метод , при котором на измерительный прибор воздействует разность измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой. При этом уравновешивание измеряемой величины известной производится не полностью. Пример: измерение напряжения постоянного тока с помощью дискретного делителя напряжения, источника образцового напряжения и вольтметра. Нулевой метод , при котором результирующий эффект воздействия обеих величин на прибор сравнения доводят до нуля, что фиксируется высокочувствительным прибором – нуль-индикатором. Пример: измерение сопротивления резистора с помощью четырехплечевого моста, в котором падение напряжения на резисторе с неизвестным сопротивлением уравновешивается падением напряжения на резисторе известного сопротивления. Метод замещения , при котором производится поочередное подключение на вход прибора измеряемой величины и известной величины, и по двум показаниям прибора оценивается значение измеряемой величины, а затем подбором известной величины добиваются, чтобы оба показания совпали. При этом методе может быть достигнута высокая точность измерений при высокой точности меры известной величины и высокой чувствительности прибора. Пример: точное точное измерение малого напряжения при помощи высокочувствительного гальванометра, к которому сначала подключают источник неизвестного напряжения и определяют отклонение указателя, а затем с помощью регулируемого источника известного напряжения добиваются того же отклонения указателя. При этом известное напряжение равно неизвестному. Метод совпадения , при котором измеряют разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов. Пример: измерение частоты вращения детали с помощью мигающей лампы стробоскопа: наблюдая положение метки на вращающейся детали в моменты вспышек лампы, по известной частоте вспышек и смещению метки определяют частоту вращения детали. Средства измерений Средство измерений – техническое средство (или их комплекс), предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимается неизменным в пределах установленной погрешности и в течение известного интервала времени. По метрологическому назначению средства измерений подразделяются на: - рабочие средства измерений , предназначенные для измерений физических величин, не связанных с передачей размера единицы другим средствам измерений. РСИ являются самыми многочисленными и широко применяемыми. Примеры РСИ: электросчетчик - для измерения электрической энергии; теодолит – для измерения плоских углов; нутромер – для измерения малых длин (диаметров отверстий); термометр – для измерения температуры; измерительная система теплоэлектростанции, получающая получить измерительную информацию о ряде физических величин в разных энергоблоках; - образцовые средства измерений , предназначенные для обеспечения единства измерений в стране. По стандартизации - на: - стандартизованные средства измерений , изготовленные в соответствии с требованиями государственного или отраслевого стандарта. - нестандартизованные средства измерений – уникальные средства измерений, предназначенные для специальной измерительной задачи, в стандартизации требований к которому нет необходимости. Нестандартизованные средства измерений не подвергаются государственным испытаниям (поверкам), а подлежат метрологическим аттестациям. По степени автоматизации – на: - автоматические средства измерений , производящие в автоматическом режиме все операции, связанные с обработкой результатов измерений, их регистрацией, передачей данных или выработкой управляющего сигнала; - автоматизированные средства измерений , производящие в автоматическом режиме одну или часть измерительных операций; - неавтоматические средства измерений , не имеющие устройств для автоматического выполнения измерений и обработки их результатов (рулетка, теодолит и т. д.). По конструктивному исполнению – на: - меры; - измерительные преобразователи; - измерительные приборы; - измерительные установки; - измерительно-информационные системы; Мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера. Мера выступает в качестве носителя единицы физической величины и служит основой для измерений. Примеры мер: нормальный элемент – мера Э.Д.С. с номинальным напряжением 1В; кварцевый резонатор – мера частоты электрических колебаний. Измерительный преобразователь – средство измерений для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному наблюдению человеком (оператором). Часто используют термин первичный измерительный преобразователь или датчик . Электрический датчик – это один или несколько измерительных преобразователей, объединенных в единую конструкцию и служащих для преобразования измеряемой неэлектрической величины в электрическую. Например: датчик давления, датчик температуры, датчик скорости и т. д. Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия человеком (оператором). Измерительная установка – совокупность функционально объединенных средств измерений, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного наблюдения человеком и расположенная в одном месте. Измерительная установка может включать в себя меры, измерительные приборы и преобразователей, а также различные вспомогательные устройства. Измерительно-информационная система - совокупность средств измерений, соединенных между собой каналами связи и предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования в автоматических системах управления. Метрологические характеристики средств измерений Все средства измерений, независимо от их конкретного исполнения, обладают рядом общих свойств, необходимых для выполнения ими их функционального назначения. Технические характеристики, описывающие эти свойства и оказывающие влияние на результаты и на погрешности измерений, называются метрологическими характеристиками . Комплекс нормируемых метрологических характеристик устанавливается таким образом, чтобы с их помощью можно было оценить погрешность измерений, осуществляемых в известных рабочих условиях эксплуатации посредством отдельных средств измерений или совокупности средств измерений, например автоматических измерительных систем. Одной из основных метрологических характеристик измерительных преобразователей является статическая характеристика преобразования (иначе называемая функцией преобразования или градуировочной характеристикой ). Она устанавливает зависимость информативного параметра у выходного сигнала измерительного преобразователя от информативного параметра х входного сигнала. Статическая характеристика нормируется путем задания в форме уравнения, графика или таблицы. Понятие статической характеристики применимо и к измерительным приборам, если под независимой переменной х понимать значение измеряемой величины или информативного параметра входного сигнала, а под зависимой величиной y – показание прибора. Если статическая характеристика преобразования линейна, т.е. , то коэффициент К называется чувствительностью измерительного прибора (преобразователя) . В противном случае под чувствительностью следует понимать производную от статической характеристики. Важной характеристикой шкальных измерительных приборов является цена деления , т.е. то изменение измеряемой величины, которому соответствует перемещение указателя на одно деление шкалы. Если чувствительность постоянна в каждой точке диапазона измерения, то шкала называется равномерной . При неравномерной шкале нормируется наименьшая цена деления шкалы измерительных приборов. У цифровых приборов шкалы в явном виде нет, и на них вместо цены деления указывается цена единицы младшего разряда числа в показании прибора. Важнейшей метрологической характеристикой средств измерений является погрешность . Погрешности измерений Истинное значение физической величины – значение физической величины, которое идеальным образом отражало бы в количественном и качественном отношениях соответствующее свойство объекта (согл. 16263-70). Результат любого измерения отличается от истинного значения физической величины на некоторое значение, зависящее от точности средств и методов измерения, квалификации оператора, условий, в которых проводилось измерение, и т. д. Отклонение результата измерения от истинного значения физической величины называется погрешностью измерения . Поскольку определить истинное значение физической величины в принципе невозможно, т. к. это потребовало бы применения идеально точного средства измерений, то на практике вместо понятия истинного значения физической величины применяют понятие действительного значения измеряемой величины , которое настолько точно приближается к истинному значению, что может быть использовано вместо него. Это может быть, например, результат измерения физической величины образцовым средством измерения. Абсолютная погрешность измерения – это разность между результатом измерения и действительным (истинным) значением физической величины:

 = х и - х

Относительная погрешность измерения – это отношение абсолютной погрешности к действительному (истинному) значению измеряемой величины (часто выраженное в процентах):

 = ( / х и ) 100%

Приведенная погрешность – это выраженное в процентах отношение абсолютной погрешности к нормирующему значению L – условно принятому значению физической величины, постоянному во всем диапазоне измерений:

 = ( / L ) 100%

Для приборов с нулевой отметкой на краю шкалы нормирующее значение L равно конечному значению диапазона измерений. Для приборов с двухсторонней шкалой, т. е. с отметками шкалы, расположенными по обе стороны от нуля значение L равно арифметической сумме модулей конечных значений диапазона измерения. Погрешность измерения (результирующая погрешность) является суммой двух составляющих: систематической погрешности и случайной погрешности . Систематическая погрешность – это составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же величины. Причинами появления систематической погрешности могут являться неисправности средств измерений, несовершенство метода измерений, неправильная установка измерительных приборов, отступление от нормальных условий их работы, особенности самого оператора. Систематические погрешности в принципе могут быть выявлены и устранены. Для этого требуется проведение тщательного анализа возможных источников погрешностей в каждом конкретном случае. Систематические погрешности подразделяются на методические , инструментальные и субъективные . Методические погрешности происходят от несовершенства метода измерения, использования упрощающих предположений и допущений при выводе применяемых формул, влияния измерительного прибора на объект измерения. Например, измерение температуры с помощью термопары может содержать методическую погрешность, вызванную нарушением температурного режима объекта измерения вследствие внесения термопары. Инструментальные погрешности зависят от погрешностей применяемых средств измерения. Неточность градуировки, конструктивные несовершенства, изменения характеристик прибора в процессе эксплуатации и т. д. являются причинами основных погрешностей инструмента измерения. Дополнительные погрешности , связанные с отклонением условий, в которых работает прибор, от нормальных, отличают от инструментальных (ГОСТ 8.009-84), т. к. они связаны скорее с внешними условиями, чем с самим прибором. Субъективные погрешности вызываются неправильными отсчетами показаний прибора человеком (оператором). Например, погрешность от параллакса, вызванная неправильным направлением взгляда при наблюдении за показаниями стрелочного прибора. Использование цифровых приборов и автоматических методов измерения позволяет исключить такого рода погрешности. Во многих случаях систематическую погрешность в целом можно представить как сумму двух составляющих аддитивной  а и мультипликативной  м .
Такой подход позволяет легко скомпенсировать влияние систематической погрешности на результат измерения путем введения раздельных поправочных коэффициентов для каждой из этих двух составляющих. Случайная погрешность – это составляющая погрешности измерения, изменяющаяся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины. Наличие случайных погрешностей выявляется при проведении ряда измерений постоянной физической величины, когда оказывается, что результаты измерений не совпадают друг с другом. Часто случайные погрешности возникают из-за одновременного действия многих независимых причин, каждая из которых в отдельности слабо влияет на результат измерения. Во многих случаях влияние случайных погрешностей можно уменьшить путем выполнения многократных измерений с последующей статистической обработкой полученных результатов. В некоторых случаях оказывается, что результат одного измерения резко отличается от результатов других измерений, выполненных при тех же контролируемых условиях. В этом случае говорят о грубой погрешности (промахе измерения). Причиной могут послужить ошибка оператора, возникновение сильной кратковременной помехи, толчок, нарушение электрического контакта и т. д. Такой результат, содержащий грубую погрешность необходимо выявить, исключить и не учитывать при дальнейшей статистической обработке результатов измерений. Класс точности средства измерений – обобщенная характеристика средства измерений, определяемая пределами допускаемых основных и дополнительных погрешностей. Класс точности выбирается из ряда (1; 1,5; 2; 2,5; 4; 5; 6)*10 n , где n = 1; 0; -1; -2 и т. д. Класс точности может выражаться одним числом или дробью (если аддитивная и мультипликативная погрешности сопоставимы – например, 0,2/0,05 – адд./мульт.). Поверка средств измерения В основе обеспечения единообразия средств измерений лежит система передачи размера единицы измеряемой величины. Технической формой надзора за единообразием средств измерений является государственная (ведомственная) поверка средств измерений , устанавливающая их метрологическую исправность. Поверка - определение метрологическим органом погрешностей средства измерений и установление его пригодности к применению. Пригодным к применению в течение определенного межповерочного интервала времени признают те СИ, поверка которых подтверждает их соответствие метрологическим и техническим требованиям к данному СИ. Средства измерений подвергают первичной, периодической, внеочередной, инспекционной и экспертной поверкам. Первичной поверке подвергаются СИ при выпуске из производства или ремонта, а также СИ, поступающие по импорту. Периодической поверке подлежат СИ, находящиеся в эксплуатации или на хранении через определенные межповерочные интервалы, установленные с расчетом обеспечения пригодности к применению СИ на период между поверками. Инспекционную поверку производят для выявления пригодности к применению СИ при осуществлении госнадзора и ведомственного метрологического контроля за состоянием и применением СИ. Экспертную поверку выполняют при возникновении спорных вопросов по метрологическим характеристикам (MX), исправности СИ и пригодности их к применению. Достоверная передача размера единиц во всех звеньях метрологической цепи от эталонов или от исходного образцового средства измерений к рабочим средствам измерений производится в определенном порядке, приведенном в поверочных схемах . Поверочная схема – это утвержденный в установленном порядке документ, регламентирующий средства, методы и точность передачи размера единицы физической величины от государственного эталона или исходного образцового средства измерений рабочим средствам. Различают государственные, ведомственные и локальные поверочные схемы органов государственной или ведомственных метрологических служб. Поверке подвергаются СИ, выпускаемые из производства и ремонта, получаемые из-за рубежа, а также находящиеся в эксплуатации и хранении. Основные требования к организации и порядку проведения поверки СИ установлены ГОСТ 8.513-84. Основополагающие документы по обеспечению единства измерений ГОСТ Р 8.000-2000 ГСИ - Основные положения ГОСТ 8.001-80 ГСИ - Организация и порядок проведения государственных испытаний средств измерений ГОСТ 8.002-86 ГСИ - Государственный надзор и ведомственный контроль за средствами измерений ГОСТ 8.009-84 ГСИ - Нормируемые метрологические характеристики средств измерений ГОСТ 8.050-73 ГСИ - Нормальные условия выполнения линейных и угловых измерений ГОСТ 8.051-81 ГСИ - Погрешности, допускаемые при измерении линейных размеров до 500 мм ГОСТ 8.057-80 ГСИ - Эталоны единиц физических величин. Основные положения ГОСТ 8.061-80 ГСИ - Поверочные схемы. Содержание и построение ГОСТ 8.207-76 ГСИ - Прямые построения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений. Основные положения ГОСТ 8.256-77 ГСИ - Нормирование и определение динамических характеристик аналоговых средств измерений. Основные положения ГОСТ 8.310-90 ГСИ - Государственная служба стандартных справочных данных. Основные положения ГОСТ 8.372-80 ГСИ - Эталоны единиц физических величин. Порядок разработки, утверждения, регистрации, хранения и применения ГОСТ 8.315-97 ГСИ - Стандартные образцы состава и свойств веществ и материалов. Основные положения ГОСТ 8.381-80 ГСИ - Эталоны. Способы выражения погрешностей ГОСТ 8.383-80 ГСИ - Государственные испытания средств измерений. Основные положения ГОСТ 8.395 ГСИ - Нормальные условия измерений при поверке. Общие требования ГОСТ 8.401-80 ГСИ - Классы точности средств измерений. Общие требования ГОСТ 8.417-81 ГСИ - Единицы физических величин ГОСТ 8.430-88 ГСИ - Обозначения единиц физических величин для печатающих устройств с ограниченным набором знаков ГОСТ 8.508-84 ГСИ - Метрологические характеристики средств измерений и точностные характеристики средств автоматизации ГСП. Общие методы оценки и контроля ГОСТ 8.513-84 ГСИ - Поверка средств измерений. Организация и порядок проведения ГОСТ 8.525-85 ГСИ - Установка высшей точности для воспроизведения единиц физических величин. Порядок разработки аттестации, регистрации, хранения и применения ГОСТ 8.549-86 ГСИ - Погрешности, допускаемые при измерении линейных размеров до 50 мм с неуказанными допусками ГОСТ Р 8.563-96 ГСИ - Методики выполнения измерений ГОСТ 8.566-99 ГСИ - Межгосударственная система данных о физических константах и свойствах веществ и материалов. Основные положения ГОСТ Р 8.568-97 ГСИ - Аттестация испытательного оборудования. Основные положения

Электрические измерения

Электромеханические измерительные приборы

Структурную схему аналогового электромеханического прибора в общем виде можно представить как: Измерительная цепь – обеспечивает преобразование электрической величины Х в промежуточную электрическую величину Y, функционально связанную с величиной Х и пригодную для непосредственной обработки измерительным механизмом. Измерительный механизм – основная часть прибора, предназначенная для преобразования электромагнитной энергии в механическую, необходимую для создания угла поворота a. Отсчетное устройство – состоит из указателя, связанного с измерительным механизмом и шкалы. По типу измерительного механизма приборы делятся на: магнитоэлектрический механизм; магнитоэлектрический механизм логометрического типа; электромагнитный механизм; электромагнитный механизм логометрического типа; электромагнитный поляризованный механизм; электродинамический механизм; электродинамический механизм логометрического типа; ферродинамический механизм; ферродинамический механизм логометрического типа; электростатический механизм: измерительный механизм индукционного типа. Общие технические требования ко всем электроизмерительным приборам нормируются ГОСТ 22261-82. Условные обозначения определены в ГОСТ 23217-78. Магнитоэлектрические измерительные приборы Общее устройство прибора электромагнитного типа показано на рисунке:

a

б

На рисунке а показана схема магнитоэлектрического механизма с подвижным магнитом, а на рисунке б- с неподвижным магнитом. На рисунке приняты следующие обозначения: стрелка; 2- катушка; 3- постоянный магнит; 4- пружина; 5- магнитный шунт; 6- полюсные наконечники. Данный механизм, примененный непосредственно, может измерять только постоянные токи. Достоинства магнитоэлектрических приборов: большой вращающий момент при малых токах, высокие классы точности, малое самопотребление. Недостатки магнитоэлектрических приборов: сложность конструкции, высокая стоимость, невысокая перегрузочная способность. Элекродинамические измерительные приборы Устройство электродинамического механизма и векторная диаграмма, поясняющая его работу, приведены на рисунке:
Электродинамический измерительный механизм работает по принципу взаимодействия магнитных потоков двух катушек. Электродинамический механизм состоит из двух катушек. Одна из них подвижная, а другая укреплена неподвижно. Токи, протекающие по этим катушкам и магнитные потоки ими образуемые при своем взаимодействии создают вращающий момент. Приборы электродинамической системы имеют малую чувствительность и большое самопотребление. Применяются в основном при токах 0.1…10А и напряжениях до 300 В. Ферродинамические приборы Ферродинамическими называются приборы, у которых неподвижная катушка электродинамического механизма намотана на магнитопроводе. Это защищает от внешних электромагнитных полей и создает больший вращающий момент, т. е. повышается чувствительность. Электромагнитные измерительные приборы Устройство измерительного механизма электромагнитного типа показано на рисунке: В электромагнитных измерительных механизмах для создания вращающего момента используется действие магнитного поля катушки с током на подвижный ферромагнитный (чаще пермоллоевый) лепесток. Достоинства электромагнитных механизмов: пригодность для работы в цепях постоянного и переменного тока; большая перегрузочная способность; возможность непосредственного измерения больших токов и напряжений; простота конструкции. Недостатки электромагнитных механизмов: неравномерная шкала; невысокая чувствительность; большое самопотребление мощности; подверженность влиянию изменения частоты; подверженность влиянию внешних магнитных полей и температуры. Электростатические измерительные приборы Схемы механизмов различных конструкций показаны на рисунке. На рисунке а приведена схема с изменяющейся площадью электродов, а на рисунке б- с изменяющимся расстоянием между электродами.
Принцип действия электростатического измерительного механизма основан на взаимодействии сил, возникающих между двумя разнозаряженными пластинами. Достоинства электростатических приборов: высокое входное сопротивление, малую входную емкость, малую мощность самопотребления, широкий частотный диапазон, могут использоваться в цепях переменного и постоянного тока, показания не зависят от формы кривой измеряемого сигнала. Недостатки электростатических приборов: приборы имеют малую чувствительность и невысокую точность. Индукционные измерительные приборы На основе индукционного измерительного механизма выполняются, как правило, счетчики электрической энергии. Устройство и векторная диаграмма прибора индукционной системы показаны на рисунке:
Механизм состоит из двух индукторов выполненных в виде стержневого и П-образного индукторов, между которыми находится подвижный неферромагнитный (алюминиевый) диск. На индукторах намотаны обмотки, по которым протекают соответственно токи I1 и I2, возбуждающие магнитные потоки Ф1 и Ф2. С осью диска связан счетный механизм, который считает число оборотов диска. Для предотвращения холостого вращения диска (для предотвращения самохода) в непосредственной близости от него укреплен постоянный магнит (тормозной магнит). Если катушку 1 включить параллельно источнику энергии, а катушку 2 последовательно потребителю, тогда получим однофазный счетчик электрической энергии. Совокупность двух или трех однофазных измерительных механизмов образуют трехфазный счетчик. Достоинства приборов индукционной системы: большой вращающий момент, малое влиянию внешних магнитных полей, большую перегрузочную способность. Недостатки приборов индукционной системы: невысокая точность, большое самопотребление, зависимость показаний от частоты и температуры. В последние годы электромеханические измерительные приборы почти повсеместно вытесняются цифровыми.

Измерение параметров электрических сигналов

Измерение напряжения При данном виде измерений применяют схему с дополнительным резистором..

Осуществляется в диапазоне частот 0-10 9 Гц (при более высоких частотах напряжение перестает быть информативным параметром). Напряжение постоянного тока от долей милливольт до сотен вольт часто измеряют магнитоэлектрическими вольтметрами (класс точности до 0,05). Основной недостаток – низкое входное сопротивление, определяемое величиной добавочного сопротивления (десятки кОм). От этого недостатка свободны электронные аналоговые вольтметры . Их выходное сопротивление составляет десятки кОм. Ими можно измерять сопротивления от единиц мкВ до нескольких кВ. Основные источники погрешностей здесь: нестабильность элементов и собственные шумы электронных схем. Класс точности таких приборов – до 1,5. И магнитоэлектрическим и электронным вольтметрам присуща температурная погрешность, а также механические погрешности измерительного механизма и погрешности шкалы. Точные измерения напряжения постоянного тока производятся при помощи компенсаторов постоянного тока (см. тему "Метод замещения" в разделе "Методы измерений"). Точность измерения при этом достигает 0,0005 %. Среднеквадратическое (действующее) значение переменного тока измеряется электромагнитными (до 1-2 кГц), электродинамическими (до 2-3 кГц), ферродинамическими (до 1-2 кГц), электростатическими (до 10МГц) и термоэлектрическими (до 100 Мгц) приборами. Отличие формы измеряемого напряжения от синусоидальной иногда может приводить к большим погрешностям. Наиболее удобными в эксплуатации приборами являются цифровые вольтметры. Они могут измерять как постоянные, так и переменные напряжения. Класс точности – до 0,001, диапазон – от единиц микровольт до нескольких киловольт. Современные микропроцессорные ЦВ снабжены клавиатурой и часто позволяют производить измерения не только напряжения, но и тока, сопротивления и т. д., т. е. являются многофункциональными измерительными приборами – тестерами (мультиметрами или авометрами) . Измерение тока При данном виде измерений применяют схему с шунтированием.

В остальном, все сказанное применительно к измерению напряжения, справедливо и для измерений тока. Измерение электрической мощности Осуществляется в цепях постоянного и переменного тока при помощи электродинамических и ферродинамических ваттметров. Изменение пределов достигается коммутацией секций токовой катушки и подключением различных добавочных резисторов. Частотный диапазон: от 0 до 2-3 кГц. Класс точности: 0,1-0,5 для электродинамических и 1,5– 2,5 для ферромагнитных. Мощность также может измеряться косвенно, при помощи амперметра и вольтметра с последующим перемножением результатов. На этом же принципе основано действие цифровых ваттметров. Существуют модификации ваттметров для измерения мощности в трехфазных цепях. Измерение электрической энергии Осуществляется в основном индукционными измерительными приборами. В последние годы широкое распространение получили цифровые счетчики энергии, основанные на принципе амперметра-вольтметра с последующим интегрированием результата перемножения по времени.

Измерение параметров электрических цепей

Измерительные мосты Одинарные мосты постоянного тока предназначены для измерения сопротивлений величиной от 10 Ом и более. Схема одинарного моста приведена на рисунке: Диагональ, обозначенная на рисунке bd- называется диагональю питания. В нее включен источник питания (батарея) G. Диагональ ас называется измерительной диагональю. В нее включен указатель равновесия (гальванометр) Р. Условия равновесия моста: . В качестве практического примера приведены параметры моста Р-369. Диапазон измеряемых сопротивлений: 10 -4 …1.11111*10 10 Ом. Класс точности в диапазоне до 10 -3 Ом- 1 и при измерении сопротивлений от1 до 10 3 Ом класс точности - 0.005. Для точных измерений сопротивлений малой величины применяют двойные мосты постоянного тока. Схема двойного моста представлена на рисунке: В процессе измерения измеряемое сопротивление R x сравнивается с образцовым сопротивлением R 0 . Сопротивление неизвестного резистора в случае равновесия моста можно выразить следующим образом: ; Двойные мосты позволяют измерять сопротивления в диапазоне 10 -8 …1.11111*10 10 Ом. Мосты переменного тока применяются для измерения, как активных, так и реактивных сопротивлений (емкостных и индуктивных). В качестве элементов моста в этом случае могут использоваться реактивные элементы – емкости и индуктивности. Уравнения равновесия записываются по аналогии с мостами постоянного тока. В последние годы для измерений параметров электрических цепей часто применяют автоматические мосты и компенсаторы, в которых процесс уравновешивания моста происходит автоматически (при помощи реверсивного двигателя или электронной схемы). Особенно актуально применение автоматических мостов в высокоточных цифровых измерительных устройствах Измерение сопротивлений Сопротивление постоянному току измеряестся как приборами непосредственной оценки – омметрами, так и мостами. Омметры чаще всего выполняют на основе магнитоэлектрического механизма. Диапазон измерений омметров: от десятитысячных долей ома до сотен мегом. Погрешность измерения омметров обычно от 1 до нескольких процентов, но резко возрастает на краях шкалы. Широкое распространение в последнее время получили цифровые многопредельные омметры, чаще всего входящие в состав универсальных цифровых измерительных приборов. Наиболее точно сопротивление можно измерить при помощи мостов постоянного тока. Измерение емкости и индуктивности Производится в основном при помощи мостов переменного тока с частотами питания 100-1000 Гц. Чаще всего мосты для измерения сопротивления, емкости и индуктивности совмещаются в одном приборе – универсальном измерительном мосте. Такие приборы могут измерять индуктивность от долей микрогенри до тысяч генри, емкость – от сотых долей пикофарад до тысяч микрофарад. Погрешность универсальных мостов обычно не превышает сотых долей процента.

Основы стандартизации

Государственная система стандартизации Понятие стандартизация охватывает широкую область общественной деятельности, включающую в себя научные, технические, хозяйственные, экономические, юридические, эстетические, политические аспекты. Во всех странах развитие государственного хозяйства, повышение эффективности производства, улучшение качества продукции, рост жизненного уровня связаны с широким применением различных форм и методов стандартизации. Правильно поставленная стандартизация способствует развитию специализации и кооперирования производства. В России действует государственная система стандартизации (ГСС) , объединяющая и упорядочивающая работы по стандартизации в масштабе всей страны, на всех уровнях производства и управления на основе комплекса государственных стандартов. Стандартизация – установление и применение правил с целью упорядочения деятельности при участии всех заинтересованных сторон. Стандартизация должна обеспечить возможно полное удовлетворение интересов производителя и потребителя, повышение производительности труда, экономное расходование материалов, энергии, рабочего времени и гарантировать безопасность при производстве и эксплуатации. Объектами стандартизации являются изделия, нормы, правила, требования, методы, термины, обозначения и т.п., имеющие перспективу многократного применения в науке, технике, промышленности, сельском хозяйстве, строительстве, на транспорте и в связи, в культуре, здравоохранении, а также в международной торговле. Различают государственную (национальную) стандартизацию и международную стандартизацию . Государственная стандартизация – форма развития и проведения стандартизации, осуществляемая под руководством государственных органов по единым государственным планам стандартизации. Международная стандартизация проводится специальными международными организациями или группой государств с целью облегчения взаимной торговли, научных, технических и культурных связей. Устанавливаемые при стандартизации нормы оформляются в виде нормативно-технической документации по стандартизации – стандартов и технических условий . Стандарт – нормативно-технический документ, устанавливающий комплекс норм, правил, требований к объекту стандартизации и утвержденный компетентным органом. Стандарт может быть разработан как на предметы (продукцию, сырье, образцы веществ), так и на нормы, правила, требования к объектам организационно-методического и общетехнического характера труда, порядок разработки документов, нормы безопасности, системы управления качеством и др. Технические условия (ТУ) – нормативно-технический документ по стандартизации, устанавливающий комплекс требований к конкретным типам, маркам, артикулам продукции. Технические условия являются неотъемлемой частью комплекта технической документации на продукцию, на которую они распространяются. Цели и задачи стандартизации Главная цель Государственной системы стандартизации (ГСС) - с помощью стандартов, устанавливающих показатели, нормы и требования, соответствующие передовому уровню отечественной и зарубежной науки, техники и производства, содействовать обеспечению пропорционального развития всех отраслей народного хозяйства страны. Другими целями и задачами стандартизации являются: 1. Установление требований к качеству готовой продукции на основе стандартизации ее качественных характеристик, а также характеристик сырья, материалов, полуфабрикатов и комплектующих изделий; 2. Разработка и установление единой системы показателей качества продукции, методов и средств контроля и испытаний, а также необходимого уровня надежности изделий с учетом их назначения и условий эксплуатации; 3. Установление норм, требований и методов в области проектирования и производства с целью обеспечения оптимального качества и исключения нерационального многообразия видов, марок и типоразмеров продукции; 4. Развитие унификации промышленной продукции, повышения уровня взаимозаменяемости, эффективности эксплуатации и ремонта изделий; 5. Обеспечение единства и достоверности измерений, создание государственных эталонов единиц физических величин; 6. Установление единых систем документации; 7. Установление систем стандартов в области обеспечения безопасности труда, охраны природы и улучшения использования природных ресурсов. Формы стандартизации В зависимости от метода решения основной задачи различают несколько форм стандартизации. Симплификация – форма стандартизации, заключающаяся в простом сокращении числа применяемых при разработке изделия или при его производстве марок полуфабрикатов, комплектующих изделий и т.п. до количества, технически и экономически целесообразного, достаточного для выпуска изделий с требуемыми показателями качества. Являясь простейшей формой и начальной стадией более сложных форм стандартизации, симплификация оказывается экономически выгодной, так как приводит к упрощению производства, облегчает материально-техническое снабжение, складирование, отчетность. Унификация – рациональное уменьшение числа типов, видов и размеров объектов одинакового функционального назначения. Объектами унификации наиболее часто являются отдельные изделия, их составные части, детали, комплектующие изделия, марки материалов и т. п. Проводится унификация на основе анализа и изучения конструктивных вариантов изделий, их применяемости путем сведения близких по назначению, конструкции и размерам изделий, их составных частей и деталей к единой типовой (унифицированной) конструкции. В настоящее время унификация является наиболее распространенной и эффективной формой стандартизации. Конструирование аппаратуры, машин и механизмов с применением унифицированных элементов позволяет не только сократить сроки разработки и уменьшить стоимость изделий, но и повысить их надежность, сократить сроки технологической подготовки и освоения производства. Типизация – это разновидность стандартизации, заключающаяся в разработке и установлении типовых решений (конструктивных, технологических, организационных и т. п.) на основе наиболее прогрессивных методов и режимов работы. Применительно к конструкциям типизация состоит в том, что некоторое конструктивное решение (существующее или специально разработанное) принимается за основное – базовое для нескольких одинаковых или близких по функциональному назначению изделий. Требуемая же номенклатура и варианты изделий строятся на основе базовой конструкции путем внесения в нее ряда второстепенных изменений и дополнений. Агрегатирование – метод создания новых машин, приборов и другого оборудования путем компоновки конечного изделия из ограниченного набора стандартных и унифицированных узлов и агрегатов, обладающих геометрической и функциональной взаимозаменяемостью. Категории и виды стандартов В зависимости от сферы действия различают:

Международный стандарт

Региональный стандарт

Госстандарт Российской Федерации (ГОСТ Р)

Межгосударственный стандарт (ГОСТ)

Стандарт отрасли

Стандарт предприятия

Правила (ПР) - документ, устанавливающий обязательные для применения общетехнические положения, порядки, методы выполнения работ (ГОСТ Р 1.0). Рекомендации (Р) – документ, содержащий добровольные для применения общетехнические положения, порядки, методы выполнения работ. Норма – положение, устанавливающее количественные или качественные категории, которые должны быть удовлетворены (ИСО\МЭК2). Регламент – документ, содержащий обязательные правовые нормы и принятый органом власти. Технический регламент – регламент, который устанавливает характеристики продукции (услуги) или связанные с ней процессы и методы производства (ГОСТ 1.0). Единые государственные системы стандартов На основе комплексной стандартизации в РФ разработаны системы стандартов, каждая из которых охватывает определенную сферу деятельности, проводимой в общегосударственном масштабе или в определенных отраслях народного хозяйства. К подобным системам относятся Государственная система стандартизации (ГСС), Единая система конструкторской документации (ЕСКД), Единая система технологической подготовки производства (ЕСТПП), Единая система технологической документации (ЕСТД), Единая система классификации и кодирования технико-экономической информации, Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ), Государственная система стандартов безопасности труда (ГССБТ) и др. Рассмотрим некоторые из них.

Государственная система стандартизации Российской Федерации (ГСС РФ) начала формироваться в 1992 году. Основой её является фонд законов, подзаконных актов, нормативных документов по стандартизации. Фонд представляет четырех - уровневую систему:

Техническое законодательство – правовая основа ГСС.

Государственные стандарты, общероссийские классификаторы технико-экономической информации.

Стандарты отрасли и стандарты научно-технических и инженерных обществ.

Стандарты предприятий и технические условия.

Законодательная база ГСС находится в стадии становления. Единая система конструкторской документации (ЕСКД) . Эта система устанавливает для всех организаций страны порядок организации проектирования, единые правила выполнения и оформления чертежей и ведения чертежного хозяйства, что упрощает проектно-конструкторские работы, способствует повышению качества и уровня взаимозаменяемости изделий и облегчает чтение и понимание чертежей в разных организациях. ЕСКД включает в себя более 200 стандартов. Единая система технологической документации (ЕСТД) представляет собой комплекс государственных стандартов, устанавливающих: формы документации общего назначения (маршрутная карта технологического процесса, сводная спецификация, карта эскизов, схем и наладок и др.); правила оформления технологических процессов и формы документации для процессов литья, раскроя и нарезания заготовок, механической и термической обработки, сварочных работ, процессов, специфичных для отраслей радиотехники, электроники и др. Существует тесная связь между ЕСТД и ЕСКД. Эти системы играют большую роль в улучшении управления производством, повышении его эффективности, во внедрении автоматизированных систем управления и т. д. Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ) устанавливает общие правила и нормы метрологического обеспечения. Основными объектами стандартизации ГСИ являются: единицы физических величин; государственные эталоны и общесоюзные поверочные схемы; методы и средства поверки средств измерений; номенклатура нормируемых метрологических характеристик средств измерений; нормы точности измерений; способы выражения и формы представления результатов измерений и показателей точности измерений; методика выполнения измерений; методика оценки достоверности и формы представления данных о свойствах веществ и материалов; требования к стандартным образцам состава и свойств веществ и материалов; организация и порядок проведения государственных испытаний, поверки и метрологической аттестации средств измерений, метрологической экспертизы нормативно-технической, проектной, конструкторской и технологической документации, экспертизы и аттестации данных о свойствах веществ и материалов; термины и определения в области метрологии. Международная стандартизация. Cтандарты серий ISO 9000 и ISO 14000 Наиболее авторитетной организацией, занимающейся разработкой международных стандартов, является ISO (International Standart Organization). Стандарты серии ISO 9000 и ISO 14000 – это пакет документов по обеспечению качества и управлению окружающей средой. Стандарты серии ISO 9000 способствуют обеспечению качества при проектировании, разработке, производстве, монтаже и обслуживании продукции, а ISO 14000 – охране окружающей среды и предотвращению загрязнений наряду с обеспечением социально-экономических потребностей самого предприятия. Общность и универсальность стандартов ISO 9000 заключается в том, что модели Обеспечения Качества не были разработаны для какой-либо специфической области - они предназначены для применения во всех областях промышленности и для всех стран. Разработка единой системы менеджмента качества, как в регулируемой, так и в нерегулируемой государственным законодательством областях производства продукции, способствует тому, чтобы сократить общее количество (и весьма значительное) различных стандартов, предписаний, положений и других документов, часто противоречивых, которые производитель должен выполнять и которые, в силу их количества и противоречивости, он часто не в состоянии выполнить.

Органы и службы стандартизации РФ

Государственное управление деятельности по стандартизации осуществляет Государственный Комитет РФ по стандартизации и метрологии (Госстандарт России). Работы по стандартизации в области строительства организует Государственный Комитет по строительной, архитектурной и жилищной политике России (Госстрой России).

Государственный метрологический контроль и надзор

Функции Госстандарта:

Выполнение роли заказчика государственных стандартов, устанавливающих основополагающие и общетехнические требования

Рассмотрение и принятие государственных стандартов, а также других нормативных документов межотраслевого значения

Организация работ по прямому использованию международных, региональных и национальных стандартов зарубежных стран в качестве Государственных стандартов

Обеспечение единства и достоверности измерений в стране, крепление и развитие государственной метрологической службы

Осуществление государственного надзора за внедрением и соблюдением обязательных требований государственных стандартов за состоянием и применением измерительной техники

Руководство работами по совершенствованию систем стандартизации, метрологии и сертификации

Участие в работах по международному сотрудничеству в области стандартизации

Издание и распространение государственных стандартов и другой нормативной документации

Осуществляет свои функции Госстандарт через созданные им органы. К территориальным органам относятся центры стандартизации и метрологии (ЦСМ); на территории РФ их более 100. Предприятия создают при необходимости службы стандартизации (отдел, лабораторию, бюро), которые выполняют научно-исследовательские и другие работы по стандартизации.

Основы сертификации

Основные понятия сертификации К объектам сертификации относятся продукция, системы качества, предприятия, услуги, системы качества, персонал, рабочие места и др. В сертификации продукции, услуг и иных объектов участвуют первая, вторая и третья стороны. Первая сторона - интересы поставщиков. Вторая сторона - интересы покупателей. Третья сторона - это лицо или органы, признаваемые независимыми от участвующих сторон в рассматриваемом вопросе (ИСО\МЭК2). Сертификация может иметь обязательный и добровольный характер. Перечень продукции, подлежащей обязательной сертификации, утверждается Правительством РФ. Сертификация - это процедура подтверждения соответствия, посредством которой независимая от изготовителя (продавцы, исполнителя) и потребителя (покупателя) организация удостоверяет в письменной форме, что продукция соответствует установленным требованиям (закон РФ от 10.06.1993г № 5151-1 "О сертификации продукции и услуг"). Система сертификации - совокупность участников сертификации, осуществляющих сертификацию по правилам, установленным в этой системе (правила по проведению сертификации в РФ). Система сертификации формируется на национальном (федеральном), региональном и международном уровне. В нашей стране система сертификации создается специально уполномоченными на это органами исполнительной власти по стандартам России: ГОСТР, Министерство Здравоохранения РФ, ГосКом РФ по связи и информатизации (ГосКомСвязи) и пр. Система сертификации государственного стандарта России охватывает область народного потребления и услуги. Сертификат соответствия - это документ, выданный по правилам системы сертификации для подтверждения соответствия сертифицированной продукции установленным требованиям (закон РФ «О сертификации продукции и услуг»). Декларация о соответствии - это документ, в котором изготовитель (продавец исполнитель) удостоверяет, что поставляемая (продаваемая) им продукция соответствует установленным требованиям. Перечень продукции, соответствие которой может быть подтверждено декларацией о соответствии устанавливается постановлением правительства РФ. Декларация о соответствии имеет юридическую силу наравне с сертификатом соответствия. Кроме сертификата соответствия и декларации соответствия существует знак соответствия. Знак соответствия - это зарегистрированный в установленном порядке знак, которым подтверждается соответствие маркированной им продукции установленным требованиям. Основные цели и принципы сертификации Цели сертификации.

содействие потребителю в компетентном выборе продукции (услуги)

защита потребителя от недобросовестности изготовителя (продавца, исполнителя)

контроль безопасности продукции (услуги, работы) для определенной среды, жизни, здоровья и имущества

подтверждение показателей качества продукции (услуги, работы), заявленных изготовителем (исполнителем)

создание условий для деятельности организации и предпринимателей на едином товарном рынке РФ, а также для участия в международном экономическом научно-техническом сотрудничестве и международной торговле

Принципы сертификации 1. Законодательная основа сертификации - закон РФ " сертификации продукции и услуг", закон "О защите прав потребителей" и др. нормативные акты. 2. Открытость системы сертификации (в работах по сертификации участвуют предприятия, учреждения и др. независимо от форм собственности). 3. Гармонизация правил и рекомендаций по сертификации с международными нормами и правилами. 4. Открытость и закрытость информации. Открытость - информация всех её участников доступна. Закрытость - должна соблюдаться конфиденциальность информации, составляющая коммерческую тайну. Органы по сертификации Орган по сертификации выполняет следующие функции:

Сертифицирует продукцию (услуги), выдает сертификат и лицензии на применение знака соответствия

Осуществляет инспекционный контроль за сертифицированной продукцией (услугой)

Приостанавливает либо отменяет действие выданных им сертификатов

Представляет заявителю необходимую информацию

ОС несет ответственность за обоснованность и правильность выдачи сертификата соответствия, за соблюдение правил сертификации

Аккредитованные испытательные лаборатории (ИЛ) - осуществляют испытания конкретной продукции или конкретные виды испытаний и выдают протоколы испытаний для целей сертификации ИЛ несет ответственность за соответствие проведенных ею сертификационных испытаний требованиям НД, а также за достоверность и объективность результатов. Если орган по сертификации аккредитован как ИЛ, то его именуют сертификационным центром (Российский центр испытаний и сертификации «Ростест-Москва»). Функции центрального органа систем сертификации (ЦОС) в системе сертификации систем качества и производства выполняет Технический Центр Регистра систем качества, действующий в структуре Госстандарта России. Функции ЦОС по добровольной сертификации возложены на ВНИИ сертификации. Обязанности ЦОС:

Организация, координация работы и установления правил процедуры в возглавляемой системе сертификации

Рассмотрение апелляций заявителей по поводу действий ОС, ИЛ (центров

Специально уполномоченный федеральный орган исполнительной власти в области сертификации в России – Госстандарт. Порядок проведения сертификации продукции Основные этапы:

подача заявки на сертификацию

рассмотрение и принятие решения по заявке

отбор, идентификация образцов и их испытания

проверка производства (если предусмотрена схемой сертификации)

анализ полученных результатов, принятие решения о возможности выдачи сертификата

выдача сертификата и лицензии (разрешения) на применение знака соответствия

инспекционный контроль за сертифицированной продукцией в соответствии со схемой сертификации

Порядок сертификации продукции, ввозимой из-за рубежа Сертификаты или свидетельства об их признании представляются в таможенные органы вместе сертификации грузовой таможенной декларацией и являются необходимыми документами для получения разрешения на ввоз продукции в Россию. Перечень продукции, требующей подтверждение её безопасности при ввозе на территорию РФ устанавливается Госстандартом по согласованию сертификации Государственным Таможенным Комитетом (ГТК). ГТК России предусмотрена возможность ввоза проб и образцов товаров для проведения их испытаний в целях сертификации (например, предконтрактной). Товары, завозимые на территорию России, подлежат таможенному контролю, подтверждающему их безопасность, путем:

Учебно-методический комплекс

Теоретические основы метрологии. Основные понятия, связанные с объектами измерения: свойство, величина, количественные и качественные проявления свойств объектов материального мира.

• Рабочая программа По дисциплине «Метрология, стандартизация и сертификация» По специальности 220501. 65- «Управление качеством»

  Рабочая программа

  Цель преподавания дисциплины заключается в подготовке специалистов для системы профессионального обучения в области полиграфии, для обеспечения приобретения навыков, связанных с работами по стандартизации, метрологии, а также с контролем

• Рабочая программа учебной дисциплины метрология, стандартизация и сертификация для специальности

  Рабочая программа

  Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры «Нефтегазовое оборудование и транспортировка» Воронежского государственного технического университета»

• Правила рейтинговой оценки по дисциплине «Метрология, стандартизация и сертификация» Объем курса 45 часов

  Лекции

  Каждая из лабораторных работ проводиться в течение двух учебных занятий. Студент в течение семестра должен выполнить и защитить три лабораторные работы и набрать по рейтингу не менее 15 баллов.

Литература: 1. Метрология и стандартизация: курс лекций для студентов. Автор О. Г. Широков-Гомель: ГГТУ им. П. О. Сухого, 2005 г- 77 с. 2. Бурдун Г. Д. , Марков Б. Н. Основы метрологии: Учеб. пособие: — 3 -е изд. М. : -Изд. стандартов, 1984. 3. Тюрин Н. И. Введение в метрологию: Учеб. пособие: — 3 -е изд. М. : — Изд. стандартов, 1985. 4. Шишкин И. Ф. Метрология, стандартизация и управление качеством: Учеб. для ВУЗов _ М. : Изд. стандартов, 1990. — 342 с. 5. Рудзит Я. А. , Плуталов В. Н. Основы метрологии, точность и надежность в приборостроении. 6. ГОСТ 16263 -70. Метрология. Термины и определения. -М. : Издательство стандартов, 1970. 7. Практическое руководство к лаб. работам по курсу “Метрология и стандартизация” — Гомель: ГПИ, м/ук. № 2261, 1998. 32 с. 8. ГОСТ 8. 009 -84 Нормируемые метрологические характеристики средств измерений. -М. : Издательство стандартов, 1984. 9. СТБ-96 Государственная система стандартизации Республики Беларусь. 10. МИ 2247 -93. ГСИ. Метрология. Основные термины и определения.

1. 1. Определение метрологии Первоначально метрология возникла как наука о различных мерах и соотношениях между ними. Общепринятое определение метрологии дано в ГОСТ 16263 -70 «ГСИ. Метрология. Термины и определения»: метрология — наука об измерениях, методах, средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Из истории метрологии На Руси основными единицами длины были пядь и локоть, причем пядь служила основной древнерусской мерой длины и означала расстояние между концами большого и указательного пальца взрослого человека. Позднее, когда появилась другая единица – аршин, пядь (1/4 аршина) постепенно вышла из употребления. С XVIII в. в России стали применять дюйм, заимствованный из Англии (называется он «палец»), а также английский фут. Особой русской мерой была сажень, равная трем локтям (около 152 см), и косая сажень (около 248 см). Указом Петра I русские меры длины были согласованы с английскими, и, это по существу – первая ступень гармонизации российской метрологии с европейской. Метрическая система мер была введена во Франции в 1840 г.

Из истории метрологии Большую роль в становлении метрологии в России сыграл Д. И. Менделеев, руководивший отечественной метрологией в период с 1892 по 1907 г. «Наука начинается… с тех пор, как начинают измерять» , — в этом научном кредо выражен, важнейший принцип развития науки, который не утратил актуальности в современных условиях. В 1893 году в России под руководством Д. И. Менделеева была создана Главная палата мер и весов. В годы Советской власти (1931 г.) в Ленинграде на базе Главной палаты мер и весов был создан Всесоюзный научно-исследовательских институт метрологии им. Д. И. Менделеева.

Из истории метрологии В 1960 году была принята Международная система единиц СИ и определена величина метра как длины, равной 1650763, 73 длина волны излучения в вакууме (криптоновый эталон метра). В 1988 г. на международном уровне были приняты новые константы в области измерений электрических единиц и величин, а в 1989 г. принята новая Международная практическая температурная шкала МТШ-90. В 1993 году был принят закон РФ «Об обеспечении единства измерений» , в котором определены основные понятия на базе официальной терминологии Международной организации законодательной метрологии (МОЗМ). Закон направлен на защиту прав и интересов граждан, определенного правопорядка и экономии РФ от отрицательных последствий недостоверных результатов измерений.

Метрология делится на три самостоятельных и взаимно дополняющих раздела, основным из которых является «Теоретическая метрология». В нем излагаются общие вопросы теории измерений. Раздел «Прикладная метрология» посвящен изучению вопросов практического применения в различных сферах деятельности результатов теоретических исследований. В заключительном разделе «Законодательная метрология» рассматриваются комплексы взаимосвязанных и взаимообусловленных общих правил, требований и норм, а также другие вопросы, нуждающиеся в регламентации и контроле со стороны государства, направленные на обеспечение единства измерений и единообразия средств измерений (СИ).

Основное понятие метрологии - измерение Согласно ГОСТ 16263 -70, измерение - это нахождение значения физической величины (ФВ) опытным путем с помощью специальных технических средств. Значимость измерений выражается в трех аспектах: философском, научном и техническом.

Философский аспект состоит в том, что измерения являются важнейшим универсальным методом познания физических явлений и процессов. Метрология как наука об измерениях занимает особое место среди остальных наук. Возможность измерения обуславливается предварительным изучением заданного свойства объекта измерений, построением абстрактных моделей как самого свойства, так и его носителя - объекта измерения в целом. Поэтому место измерения определяется не среди первичных (теоретических или эмпирических) методов познания, а среди вторичных (квантитативных), обеспечивающих достоверность измерения.

С помощью вторичных познавательных процедур решаются задачи формирования данных (фиксации результатов познания). Измерение с этой точки зрения представляет собой метод кодирования сведений, получаемых с помощью различных методов познания, т. е. заключительную стадию процесса познания, связанную с регистрацией получаемой информации.

Научный, аспект измерений состоит в том, что с их помощью в науке осуществляется связь теории и практики. Без измерений невозможна проверка научных гипотез и соответственно развитие науки. Измерения обеспечивают получение количественной информации об объекте управления или контроля, без которой невозможно точное воспроизведение всех заданных условий технического процесса, обеспечение высокого качества изделий и эффективного управления объектом. Все это составляет технический аспект измерений

Одна из основных задач метрологии — обеспечение необходимой точности и достоверности измерительной информации. В народном хозяйстве применяют лишь те средства измерений, которые гарантируют их результаты. Результаты измерений — знания о состоянии объекта и свойствах явлений. Чем точнее эти знания, тем правильнее вывод и принимаемые решения, тем меньше вероятность ошибок и появления дефектов.

2 Связь метрологии, стандартизации и сертификации Со стороны государства регламентируются многие нормы, требования и правила, используемые в процессе измерений для обеспечения единства измерений в стране. Метрология органически связана со стандартизацией. Эта связь выражается, прежде всего, в стандартизации единства измерений, системе государственных эталонов, системе средств измерений и методов поверок, в создании стандартных образцов свойств и состава веществ.

Необходимость стандартизации методик выполнения измерений обусловлена тем, что погрешности результатов измерений определяются не только погрешностью применяемых средств измерений, но и применяемыми методами измерений, внешними условиями, в которых измерения выполняются, способами обработки результатов измерений и др. Часто оказывается, что погрешности средств измерений составляют весьма малую долю погрешности результата измерений. Стандартизация опирается на метрологию, обеспечивающую правильность и сопоставимость результатов испытаний материалов и изделий, а также заимствует из метрологии методы определения и контроля качества.

Объективность испытаний, достоверность и точность получаемых результатов во многом определяется техническим уровнем измерительной техники, ее автоматизацией. Учитывая высокую стоимость контрольных проверок и испытаний, эффективным выходом из этого положения становится взаимное признание результатов испытаний. Это означает, что страна-импортер, опираясь на знание действующих НТД, установленного порядка испытаний, наличия необходимых приборов и испытательного оборудования страны-экспортера признает результаты, проведенных экспортером испытаний изделия и не проводит повторных испытаний изделия у себя в стране. Высшим уровнем такого признания является сертификация. Сертификация – это действие, проводимое с целью подтверждения, посредством сертификата соответствия или знака соответствия того, что изделие или услуга соответствуют определенным стандартам или техническим условиям.

4. ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ В МЕТРОЛОГИИ ГОСТ 16263 -70 «ГСИ. Метрология. Термины и определения». В Государственной системе измерений есть стандартное определение измерения: измерение - это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.

Для осуществления измерений необходимо воспроизвести единицу физической величины, сравнить с ней измеряемое значение, зафиксировать результаты сравнения и оценить погрешности измерения. Характерные черты процесса измерения можно представить в виде идеализированной блок-схемы. Измерительная система Х – измеряемая величина Х N – мера Х а – показание. Градуировка. Процесс Измерительное устройство. Измерительное устройство Выходная величина

Блок-схема поясняет аспект восприятия и отображения информации о физической величине. Присущий измерению процесс нормирования, т. е. присвоения отображаемой физической величине определенного числового значения, представлен вводимой в измерительное устройство информацией о мере (эталоне) физической величины. Информация об измеряемой величине преобразуется измерительным устройством в показания. Диапазон показаний – область значений измеряемой величины, в которой они могут быть отсчитаны на показывающем измерительном приборе между начальным и конечным значением шкалы.

Предел измерений – часть диапазона показаний, в которой погрешности находятся в предписанных пределах. Диапазон измерений – область значений измеряемой величины, заключенной между верхним и нижним пределом измерений. Измеренное значение – значение физической величины, определяемое по показанию средства измерения. Выражается в виде произведения числового значения и единицы измерения физической величины. Средства измерений – технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические свойства, т. е. свойства, оказывающие влияние на результаты и погрешности измерений. Результат измерения – значение величины, найденное путем ее измерения. В общем случае получают из многих измеренных значений по известным соотношениям.

По способу получения результата измерений измерения разделяют на прямые, косвенные, совокупные и совместные Прямое измерение – это измерение, при котором искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных. Например, измерение массы на циферблатных весах, длины микрометром, температуры термометром, электрического напряжения вольтметром. При прямых измерениях измеряемую физическую величину сравнивают непосредственно с мерой или преобразуют в другую физическую величину, которую также сравнивают с мерой. В качестве меры здесь обычно выступает шкала прибора. Косвенное измерение – это измерение, при котором искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. Если измеряемая величина Q связана с другими величинами X 1, Х 2, . . . , Х n , уравнением Q = f (X 1, Х 2, . . . , Х n), то величину Q вычисляют по указанному уравнению между величинами.

Совокупные измерения – это проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин. Например, необходимо определить размеры физических величин X 1, Х 2, . . . , Х 3, но мы не имеем устройства, которое дало бы возможность измерить непосредственно указанные величины, а располагаем устройствами, позволяющими определить суммы любых двух из указанных величин. Тогда, измеряя сочетания величин, получим следующие уравнения: X 1 + X 2 = а; X 1 + X 3 = b ; Х 2 + X 3 = с, где а, b , с – результаты измерения соответствующих пар размеров величины. Искомые величины X 1, X 2 и X 3 легко определяются решением указанных уравнений. Таким образом, можно определить массы гирь набора при известной массе по результатам сравнения масс различных сочетаний гирь. Совместные измерения – это проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для нахождения зависимости между ними. Например, для определения температурного коэффициента линейного расширения измеряют температуру и длину нагретого до разных температур стержня.

По способу выражения результатов различают абсолютные и относительные измерения Абсолютное измерение — это измерение, основанное на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании физических констант. Примером абсолютных измерений может служить измерение длины рулеткой, измерение силы с помощью мер массы и константы земного ускорения. Относительным измерением называется измерение отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или изменения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную. Например, при измерении частоты на осциллографе путем сравнения с некоторой известной частотой, наблюдают интерференционные фигуры (фигуры Лиссажу), которые идентифицируются в зависимости от отношения частот.

По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения разделяют на: статические – при которых измеряемая величина остается постоянной во времени; динамические – в процессе которых измеряемая величина изменяется. К статическим относятся измерения геометрических размеров тела, измерения постоянного давления. К динамическим — измерения пульсирующих давлений, вибрации.

Однократные измерения – измерения, выполняемые один раз. Многократные измерения – измерения одной и той же физической величины, результат которых получают из нескольких следующих друг за другом измерений. Обычно многократными считаются измерения проводимые свыше трех раз. Технические измерения – измерения, выполняемые при помощи рабочих средств измерений с целью контроля и управления научными экспериментами, контроля параметров изделия. Метрологические измерения – измерения при помощи эталонов и образцовых средств измерений с целью нововведения единиц физических величин или передачи их размеров рабочим средствам измерений. Равноточные измерения – ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности средствами измерений в одних и тех же условиях. Неравноточные измерения – ряд измерений какой-либо величины, выполненных различными по точности средствами измерений и в разных условиях.

Основные характеристики измерений Принцип измерений – это физическое явление или совокупность физических явлений, на которых основаны измерения. Например, при измерении массы путем взвешивания на равноплечих весах используются следующие физические явления: сила притяжения к земле прямо пропорциональна массе, равные массы имеют равные силы тяжести и на равноплечих весах моменты сил будут равны, а весы уравновешены в устойчивом положении. Локационные измерения длин основаны на измерении времени от момента подачи сигнала до момента возвращения отраженного сигнала при известной скорости распространения сигнала в данной среде. Измерение расхода газа или жидкости по перепаду давления в сужающем устройстве основано на зависимости перепада давления от скорости потока. Метод измерений - это совокупность приемов использования принципов и средств измерения.

Классификация методов измерения Методы непосредственной оценки Методы сравнения. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ Дифференциальный Замещения Нулевой Совпадений

Погрешность измерения – отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. Абсолютная погрешность измерения – погрешность, выраженная в единицах измеряемой величины: Δ х = х – А. Относительная погрешность измерения (%) – отношение абсолютной погрешности измерения к истинному значению измеряемой величины: dx = Δ x / A. Относительная погрешность не может служить показателем точности измерений, так как она может существенно изменяться в зависимости от значения измеряемой величины. Для нормирования погрешности средств измерений используется понятие приведенной погрешности, которое определяется как: γ пр = Δ x / A n , где A n – нормируемое значение (для большинства приборов это максимальное значение шкалы

Распределение полосы погрешностей средств измерений Если нанести на график экспериментальную зависимость выходного сигнала у от входного х, то полученные точки в координатах х — у разместятся в пределах некоторой полосы. При неизменном положении полосы погрешностей от значения х диапазон разброса значений погрешностей имеет постоянное значение в виде Δ х = ± Δ х 0. Такая погрешность получила название аддитивной (рис. а). В том случае, если ширина диапазона погрешностей возрастает с увеличением входного сигнала х, такая погрешность носит название мультипликативной (рис. б). Когда свой вклад в распределение полосы погрешностей вносят как аддитивная, так и мультипликативная составляющие, распределение полосы погрешностей имеет трапецеидальную форму (рис. в).

Пример 1 Шкала прибора 0. 300 В: прибор показывает 220 В. На шкале прибора нанесено 0. 5 – допускаемая приведенная погрешность в % Определить величину погрешности измерений. Пример 2 Шкала прибора 0. 300 В. Прибор показывает 220 В 0. 5 На шкале прибора нанесено – тогда относительная погрешность Определить величину погрешности измерений. %5. 0 B Un 5. 1 100 300*5. 0 100 * 0. 5 75. 0 200 300 5. 0 В Uи 5. 1 100 200*75. 0 100 *

Абсолютные аддитивные погрешности не зависят от измеряемой величины X , а мультипликативные прямо пропорциональны значению X. Источники аддитивной погрешности – трение в опорах, неточность отсчета, вибрации. Причинами мультипликативной погрешности являются влияние внешних факторов и старение элементов и узлов приборов. Когда свой вклад в распределение полосы погрешности вносит как аддитивная, так и мультипликативная составляющие, распределение полос погрешностей имеет трапециидальную форму. | Δmax | = | а | + | вх | , где а – предельное значение аддитивной погрешности, В х – предельное значение мультипликативной погрешности.

Сходимость измерений – это качество измерений, отражающее близость друг к другу результатов измерений, выполняемых в одинаковых условиях. Повторение измерений приводит к различным результатам наблюдений, распределение которых может быть оценено статистическими методами. Результаты измерения, вероятностные законы, распределения которых известны, называют достоверными. Результаты измерения, достоверность которых неизвестна, т. е. неизвестны предельные погрешности с заданной вероятностью, не представляют ценности и в ряде случаев могут быть источником дезинформации и принести ущерб. Единство измерений - это такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности измерений известны с заданной вероятностью. Единство измерений позволяет обеспечить воспроизводимость измерений, т. е. близость друг к другу измерений, выполняемых в различных условиях (в различное время, в разных местах, неодинаковыми методами и средствами). Это особенно важно в настоящее время, когда специализация и кооперация производства осуществляется не только в рамках одной страны, но и в международном масштабе. Без обеспечения единства измерений невозможно успешное развитие науки на основе обмена идеями и результатами. Единство измерений позволяет сопоставить результаты измерений, выполненные с использованием различных методов и средств измерений в различных местах и в разное время.

Единство измерений обеспечивается единообразием средств измерений и правильной методикой выполнения измерений. Мероприятия по обеспечению единства и требуемой точности измерений установлены законодательно. Единообразие средств измерений - это такое их состояние, когда все они проградуированы в узаконенных единицах, а их метрологические свойства соответствуют нормам. Единство измерений не может быть обеспечено без специальных мер, осуществляемых в масштабах всего государства. Поэтому создана метрологическая служба, деятельность которой направлена на обеспечение единства измерений. Метрологическую службу возглавляет Государственный комитет метрологии и стандартизации.

Все используемые средства измерений (СИ) периодически, в установленные сроки, проходят поверку Поверкой средств измерений называется определение метрологическим органом погрешностей СИ и установление его пригодности к применению. Поверка СИ является одним из звеньев в многоступенчатой цепи передачи размера единицы физической величины от эталона через образцовые средства измерений к рабочему средству измерений. Именно эта связь с эталоном обеспечивает единообразие средств измерений и единство измерений.

Исходными аксиоматическими понятиями в определении сущности измерений являются: натуральный ряд однородных величин, шкалы реперов, единицы физических величин, измерительные преобразования.

Натуральный ряд однородных величин По однородным свойствам различные предметы могут быть расположены в виде рядов по возрастающим (или убывающим) значениям величин, характеризующих эти свойства. Например, построение натуральных рядов удельного электрического сопротивления и др.

Шкалы реперов Для получения объективных оценок необходимо из последовательного натурального ряда выбрать некоторые опорные (отправные и реперные) значения, которые можно воспроизвести в различных условиях. В температурном ряду таким значением является точка кипения или плавления некоторых веществ (например, точка кипения воды +100, 00°С, точка плавления льда 0, 00°С).

Измерительное преобразование В некоторых случаях, когда нельзя непосредственно сравнить измеряемую величину с воспроизводимой единицей физической величины, используют измерительное преобразование. Это такой вид преобразования, при котором устанавливается однозначное соответствие между значениями двух величин (входной и выходной). Зависимость между этими величинами стремятся сделать линейной.

5. ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ И ИХ ЕДИНИЦЫ Физическая величина ГОСТ 16263 -70 определена как свойство, общее в качественном отношении многим физическим объектам (физическим системам, их состояниям и происходящим в них процессам), но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта. Так, все тела обладают массой и температурой, но для каждого из них количественная оценка массы или температуры будет различной. Не следует применять термин «величина» для выражения только количественной стороны рассматриваемого свойства. Например, неправильно употреблять выражения: «величина массы», «величина давления», «величина силы» и т. п. , потому что свойства – масса, давление, сила – сами являются величинами. В этих случаях речь идет о размерах физических величин, и поэтому следует говорить «размер массы», «размер давления».

Размером физической величины называется количественное содержание в данном объекте свойства, соответствующего понятию физическая величина. Между размерами каждой физической величины существуют отношения, которые имеют ту же логическую структуру, что и отношения между числовыми формами (целыми, рациональными или действительными числами, векторами). Поэтому множество числовых отношений типа «больше», «меньше», «равно», «сумма» и других может служить моделью физической величины, т. е. множества ее размеров с отношениями между ними.

Различают три вида физических величин, измерение которых осуществляется по принципиально различным правилам: К первому виду физических величин относятся величины, на множестве размеров которых определены лишь отношения порядка и эквивалентности. Это отношения типа «тверже», «мягче», «одинаково твердые», «теплее», «холоднее» и т. п. Существование подобных отношений устанавливается теоретически или экспериментально с помощью специальных средств сравнения, а также на основе наблюдений за результатами воздействия физической величины на какие-либо объекты. К величинам этого вида относятся: твердость, определяемая как способность тела оказывать сопротивление проникновению в него другого тела, температура, понимаемая как степень нагретости тела, сила землетрясения. Так, например, легко установить различие в твердости стали и свинца, можно установить различие в твердости двух образцов стали путем вдавливания одного в другой, но не можем установить значения различия в твердости и тем более сравнить эти различия.

Для второго вида физических величин отношения порядка и эквивалентности имеют место не только между размерами величин, но и между разностями в парах их размеров. К этому виду относятся такие величины, как время, потенциал, энергия, температура, связанная, по определению, со шкалой ртутного термометра. Возможность сравнения разностей их размеров вытекает из самих определений этих величин. Так, разности температур считаются равными, если расстояния между соответствующими отметками на шкале ртутного термометра равны.

Третий вид составляют аддитивные физические величины. Аддитивными физическими величинами называются величины, на множестве размеров которых определены не только отношения порядка и эквивалентности, но и операции сложения и вычитания. Операция считается определенной, если ее результат (сумма или разность) также является размером той же физической величины и существует способ ее технической реализации. К таким величинам относятся, например, длина, масса, термодинамическая температура, сила тока, ЭДС, электрическое сопротивление. Их можно измерять по частям, а также воспроизводить с помощью многозначной меры, основанной на суммировании отдельных мер. К аддитивным физическим величинам относятся и разности некоторых физических величин второго вида: разность потенциалов, отрезки времени, рассматриваемые как разности моментов времени и др. Но их следует рассматривать как новые физические величины, так как разность потенциалов не является потенциалом, а разность двух моментов времени не является моментом времени.

Для количественной оценки свойств физической величины применяют понятия «значение» и «размер» Между этими понятиями есть принципиальное различие. Размер физической величины существует реально и не зависит от того, производится его измерение или нет. Значение физической величины появляется только в процессе измерений и зависит от единицы измерения. Размерность физических величин – это соотношение между единицами величин, входящих в уравнение, связывающее данную величину с другими величинами, через которые она выражается. Для любой физической величины третьего вида всегда можно выбрать некоторую [ Q ] и присвоить ей числовое значение, равное 1. Эту величину называют единицей физической величины. Единица физической величины — физическая величина, которой по определению присвоено числовое значение, равное единице.

Значение физической величины – оценка физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц. Значение физической величины Q определяется уравнением Q = q [ Q ] которое называют основным уравнением измерения. Числовое значение величины третьего вида показывает, во сколько раз значение измеряемой величины больше некоторого значения, принятого за единицу. Следовательно, при различных единицах измерения значение физической величины Q будет выражено различными числовыми значениями: При выбранной единице измерения физическая величина как объективно существующее свойство объекта в данный момент времени может быть охарактеризована истинным ее значением.

Истинным значением физической величины называется значение физической величины, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта. Определить экспериментально его невозможно вследствие неизбежных погрешностей измерения. Вместо истинного значения при эксперименте получают действительное значение физической величины, степень приближения которого к первому зависит от цели эксперимента и выбранной точности измерительного средства.

Действительное значение физической величины Действительное значение физической величины – значение физической величины, найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него. Для действительного значения физической величины всегда можно указать границы более или менее узкой зоны, в пределах которой с заданной вероятностью находится истинное значение физической величины.

Сигналы измерительной информации Сигналом называется материальный носитель информации, представляющий собой некоторый физический процесс, один из параметров которого функционально связан с измеряемой физической величиной. Такой параметр называют информативным. Сигнал измерительной информации – сигнал, функционально связанный с измеряемой физической величиной и несущий информацию о ее значении.

Классификация измерительных сигналов ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИГНАЛЫ Аналоговые Дискретные Цифровые Постоянные во времени Переменные во времени Непрерывные Импульсные Неслучайные: детерминированные и квазидетерминированные Случайные Элементарные Сложные Стационарные Нестационарные Переодические Эргодические Нестационарные Неэргодические. Непериодические Гармонические Полигармонические Почти периодические Переходные

По характеру измерения информативного и временного параметров измерительные сигналы делятся на аналоговые, дискретные и цифровые: Аналоговый сигнал – это сигнал, описываемый непрерывной или кусочно-непрерывной функцией. Дискретный сигнал – это сигнал, изменяющийся дискретно во времени или по уровню. Цифровые сигналы – квантованные по уровню и дискретные по времени сигналы.

По характеру изменения во времени сигналы делятся на постоянные, значения которых с течением времени не изменяются, и переменные, значения которых меняются во времени.

Международная система единиц Физические величины, единицы которых устанавливаются независимо от других величин в системе, называются основными величинами, а их единицы – основными единицами. Все остальные величины и единицы определяются однозначно через основные и называются производными. Совокупность основных и производных единиц физических величин, образованная в соответствии с принятыми принципами, называется системой единиц физических величин. Единица основной физической величины является основной единицей данной системы.

Основные и дополнительные единицы физических величин системы СИ Величина Единица Наименование Размерност ь Рекомендуемое обозначение Наименование Обозначение русское Обозначение международно е Основные Длина L l метр м m Масса M m килограмм кг kg Время T t секунда c s Сила электрического тока I I ампер A A Термодинамическая температура T кельвин К К Количество вещества N n , v моль mol Сила света J J кандела кд cd Дополнительные Плоский угол — — радиан рад red Телесный угол — — стерадиан ср sr

Размерности производных физических величин определяются произведением размерностей основных величин, взятых в степенях, соответствующих степеням в уравнениях между величинами в физике. Диапазоны числовых значений физических величин так велики, что в практическом использовании единиц применяют кратные и дольные единицы. Кратная единица физической величины – это единица, большая в целое число раз системной или внесистемной единицы. Например, гектар (100 ар = 10 000 м 2), минута (60 секунд), километр (1000 метров), мегаватт (106 ватт). Дольная единица физической величины определяется как единица, меньшая в целое число раз системной или внесистемной единицы. Примеры: миллиметр (10 -3 метра), дюйм (1/12 фута), угловая минута (1/60 углового градуса), пикофарада (10 -12 фарады), наносекунда (10 -9 секунды). Целое число при образовании кратных и дольных единиц должно соответствовать принятому в данной системе принципу образования кратных и дольных единиц.

Решениями Генеральной конференции по мерам и весам установлены следующие определения основных единиц: Метр равен длине пути, проходимого светом в вакууме за 1/299 792 458 долю секунды. Килограмм – единица массы, равная массе международного прототипа килограмма. Секунда равна 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Ампер – сила неизменяющегося тока, который, проходя по двум нормальным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади круглого поперечного сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызывает между проводниками силу взаимодействия, равную 2, 10 -7 Н на каждый метр длины. Кельвин – единица термодинамической температуры – 1/273, 16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. Кандела равна силе света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540, 1012 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср. Моль – количество веществ системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько атомов содержится в углероде-12 массой 0, 012 кг.

Дополнительные единицы – это единицы измерения плоского и телесного угла – радиан и стерадиан. Они не включены в основные, так как это вызвало бы затруднение в трактовке размерностей величин, связанных с вращением. Их нельзя отнести и к производным, так как они не зависят от основных величин. Размеры радиана и стерадиана не зависят от размера единицы длины. Радиан – единица плоского угла, равная углу между двумя радиусами окружности, длина дуги между которыми равна радиусу. В градусном исчислении 1 рад = 57° 17’44, 8″. Стерадиан – единица, равная телесному углу с вершиной в центре сферы, вырезающему на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы.

Классификация средств измерений Средства измерений – технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические свойства. По назначению средства измерения разделяют на меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки и измерительные системы. Меры – средства измерений, предназначенные для воспроизведения физической величины заданного размера. Различают однозначные и многозначные меры. Однозначные меры воспроизводят одно значение физической величины (например, нормальный элемент – значение ЭДС). Многозначные меры воспроизводят (плавно или дискретно) ряд значений одной и той же физической величины. Широкое применение имеют магазины сопротивлений, обеспечивающие ряд дискретных значений сопротивлений. Некоторые меры воспроизводят одновременно значения двух физических величин. Мера необходима для выполнения сравнения с ней измеряемой величины и получения ее значения. В зависимости от степени точности и области применения меры подразделяют на эталоны, образцовые и рабочие. Эталон воспроизводит единицу физической величины с наивысшей точностью.

Измерительные преобразователи Измерительные преобразователи – средства измерений, предназначенные для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем. Принцип их действия основан на различных физических явлениях. Измерительные преобразователи преобразуют любые физические величины Х (электрические, неэлектрические, магнитные) в выходной электрический сигнал Y = f (X).

Преобразователи Различают: преобразователи непрерывной величины в дискретную; первичные преобразователи (датчики), к которым подводится измеряемая величина; промежуточные, включенные в измерительную цепь после первичного; масштабные, предназначенные для изменения значения величины в некоторое число раз; обратные, включенные в цепь обратной связи; передающие; сравнения, предназначенные для сравнения измеряемой величины с мерой; выходные. К измерительным преобразователям можно отнести преобразователи переменного напряжения в постоянное, делители тока, напряжения, измерительные трансформаторы напряжения и тока, усилители, компараторы, аналого-цифровые преобразователи, цифро-аналоговые преобразователи и др.

Измерительные приборы Измерительные приборы – средства измерений, предназначенные для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Измерительные приборы состоят из ряда соединенных между собой определенным образом измерительных преобразователей.

Измерительные установки Измерительные установки – совокупность функционально объединенных средств измерений (мер, преобразователей, приборов, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем, и расположенная в одном месте. Например, измерительная установка для измерения мощности в трехфазных цепях.

Измерительная система Измерительная система – совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования в автоматических системах управления. Измерительную систему, в которой предусмотрена возможность представления информации оператору, называют информационно-измерительной системой (ИИС). Если в состав ИИС входит свободно программируемая ЭВМ, то система называется измерительно-вычислительным комплексом (ИВК).

ЭТАЛОНЫ Для обеспечения единства измерений необходима тождественность единиц, в которых проградуированы все средства измерений одной и той же физической величины. Это достигается путем точного воспроизведения и хранения установленных единиц физических величин и передачи их размеров применяемым средствам измерений. Воспроизведение, хранение и передача размеров единиц осуществляются с помощью эталонов и образцовых средств измерений. Высшим звеном в метрологической цепи передачи размеров единиц измерений являются эталоны.

Эталон Эталон единицы представляет собой средство измерений (или комплекс средств измерений), обеспечивающее воспроизведение и хранение единицы физической величины (или одну из этих функций) с целью передачи размера единицы образцовым, а от них рабочим средствам измерений и утвержденное в качестве эталона в установленном порядке. Эталон называется первичным, если он воспроизводит единицу с наивысшей в стране (по сравнению с другими эталонами) точностью. Первичные эталоны основных единиц воспроизводят единицу в соответствии с ее определением.

Первичный, или специальный, эталон, официально утвержденный в качестве исходного для страны, называется государственным. Основное назначение эталонов – служить материально-технической базой воспроизведения и хранения единиц физических величин. По своему метрологическому назначению вторичные эталоны делят на эталоны-копии, эталоны сравнения, эталоны-свидетели и рабочие эталоны. Допускается применение государственного эталона в качестве рабочего, если это предусмотрено правилами хранения и применения эталона.

Метрологическая цепь передачи размеров единиц Первичный эталон Рабочие эталоны 1 -го разряда 2 -го разряда 3 -го разряда 4 -го разряда Наивысшей точности Высокой точности Средней точности Низшей точности. Рабочие меры и измерительные приборы. Образцовы е меры и измеритель ные приборы

Поверочные схемы Для обеспечения правильной передачи размера единиц физических величин во всех звеньях метрологической цепи (от эталонов образцовым мерам, а от них – рабочим мерам и измерительным приборам) должен быть установлен определенный порядок. Этот порядок и приводится в поверочных схемах. Поверочная схема представляет собой исходный документ, устанавливающий метрологическое соподчинение эталонов, образцовых средств измерений и порядок передачи размера единицы образцовым и рабочим средствам измерений. Государственные поверочные схемы должны служить основанием для составления локальных поверочных схем и для разработки государственных стандартов и методических указаний на методы и средства поверки образцовых и рабочих средств измерений. Общесоюзные поверочные схемы утверждаются в качестве государственных стандартов. Элементами общесоюзной поверочной схемы являются наименования государственных эталонов, эталонов-копий, эталонов-свидетелей, эталонов сравнения, рабочих эталонов, образцовых средств измерений и рабочих средств измерений, а также методов передачи размера единиц (методов поверки).

Методы поверки, указываемые на поверочной схеме, должны отражать специфику поверки данного вида средств измерений. В поверочных схемах приведены различные способы поверки средств измерений по образцовым средствам измерений, а последних – по эталонам. Поверка средств измерений – это определение метрологическим органом погрешностей средств измерений и установление их пригодности к применению.

1 – государственный эталон; 2 – метод передачи размера единиц; 3 – эталон-копия; 4 – эталон-свидетель; 5– рабочий эталон; 6, 7, 8 – образцовые средства измерений соответствующих разрядов; 9 – образцовые средства измерений, заимствованные из других поверочных схем; 10 – рабочие средства измерений

Меры могут быть поверены: — способом сличения с более точной образцовой мерой посредством компарирующего прибора (например, поверка концевых мер длины); — измерением воспроизводимой мерой величины измерительными приборами соответствующего разряда и класса (в этом случае поверка часто называется градуировкой мер, например градуировка мер твердости); — способом калибровки, когда с более точной мерой сличается лишь одна мера набора или одна из отметок шкалы многозначной меры, а действительные размеры других мер или значения вое производимых ими величин на других отметках шкалы определяются путем их взаимного сравнения в различных сочетаниях на приборах сравнения и при дальнейшей обработке результатов измерений (калибровка гирь или линейных шкал).

Поверка измерительных приборов осуществляется одним из двух методов: — методом измерения величин, воспроизводимых образцовыми мерами соответствующего разряда или класса точности, значения которых выбирают равными соответствующим (чаще всего всем оцифрованным) отметкам шкалы прибора; наибольшая разность между результатами измерения и соответствующими им размерами мер является в этом случае основной погрешностью прибора; — методом сличения поверяемого и некоторого образцового прибора при измерении одной и той же величины; разность их показаний при измерении различных значений измеряемой величины определяет погрешность поверяемого прибора.