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.

а)

б)

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 А₀. При этом А_х= А₀.

Из методов разновременного сравнения рассмотрим метод замещения. Согласно ему измеряемая А_х заменяется известной А₀, и изменением А₀ цепь приводится в прежнее состояние (например, вместо резистора R_x в цепь ставится магазин сопротивлений, и изменением его сопротивления R₀ восстанавливают в цепь прежний ток. При этом R_x = 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 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.

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 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 g 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

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.