![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Часть I. Основы метрологии
Лекции по метрологии (для студентов заочного отделения)
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:
1. «Об обеспечении единства измерений» 2. «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; - сажень – 3 локтя (примерно 152 см).
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 Ах на индикатор сводится к нулю встречным действием известной величины А0. При этом Ах= А0. Из методов разновременного сравнения рассмотрим метод замещения. Согласно ему измеряемая Ах заменяется известной А0, и изменением А0 цепь приводится в прежнее состояние (например, вместо резистора Rx в цепь ставится магазин сопротивлений, и изменением его сопротивления R0 восстанавливают в цепь прежний ток. При этом Rx = R0).
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 Хд измеряемой величины:
Поправка – абсолютная погрешность, взятая с обратным знаком. При сложении поправки с Х получается Хд. Относительная:
Относительная погрешность более информативна, чем абсолютная, т.к. есть привязка к показанию прибора.
Приведенная:
где ХН 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.
Зная К, можно рассчитать пределы допускаемой относительной погрешности (в процентах) для любого показания прибора:
где Х – показания прибора.
У цифровых приборов класс точности выражается в виде c/d, например: 0, 1/0, 05. В этом случае:
где ХК – 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 Напоминание: амперметры включаются при поверке последовательно, а вольтметры – параллельно друг другу.
Вопросы к экзамену по метрологии для студентов заочного отделения ч. I. Основы метрологии
1. Метрология. Основные термины и определения. Метрологические службы в стране. 2. Утверждение типа средства измерений. Поверка. Лицензирование. 3. Методы измерений. Методики измерений. Виды измерений. 4. Средства измерений. Их метрологические характеристики. 5. Погрешности измерений. 6. Классы точности. 7. Поверка амперметров и вольтметров.
ч. II. Электрические измерения
8. Измерительные приборы. 9. Аналоговые измерительные приборы. Общие узлы. Обозначения на циферблате. 10. Шунты, добавочные резисторы, делители напряжения. 11. Измерительные трансформаторы тока и напряжения. 12. Магнитоэлектрические приборы. 13. Омметры. Схемы. 14. Электродинамические приборы. Схема ваттметра. 15. Электронно-лучевые осциллографы.
|