МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ ТЕМА 1 Введение. Теоретические основы метрологии Введение. Теоретические основы метрологии ЛЕКЦИЯ 2 Измерение и его основные операции Измерение и его основные операции
УЧЕБНЫЕ И ВОСПИТАТЕЛЬНЫЕ ЦЕЛИ: Дать систематизированные основы научных знаний по закономерностям формирования результата измерений. Дать систематизированные основы научных знаний по закономерностям формирования результата измерений. Раскрыть состояние и перспективы развития средств измерений. Раскрыть состояние и перспективы развития средств измерений. Формировать и развивать у курсантов необходимые профессиональные качества и стремление в совершенстве овладеть избранной специальностью. Формировать и развивать у курсантов необходимые профессиональные качества и стремление в совершенстве овладеть избранной специальностью.
Учебные вопросы 1. Измерение и его основные операции 2. Классификация измерений
ЛИТЕРАТУРА: 1. Димов Ю.В. Метрология, стандартизация и сертификация: Учеб. для вузов 3-е изд. – СПб.: Питер, 2010.– c Метрология, стандартизация и технические измерения: Учеб. для вузов / А.С. Сигов, В.И. Нефедов; Под ред. А.С. Сигова. – М.: Высшая школа, – с Методы и средства измерений: учебник для студ. учреждений высш. проф. образования / Г.Г. Раннев, А.П. Тарасенко. – 6-е изд., стер.– М.: издательский центр «Академия», – с
1. ИЗМЕРЕНИЕ И ЕГО ОСНОВНЫЕ ОПЕРАЦИИ Процесс измерения заключается в сравнении данной величины с некоторым определенным ее значением, принятым за единицу. Процесс измерения заключается в сравнении данной величины с некоторым определенным ее значением, принятым за единицу. Результат измерения в виде именованного числа показывает, во сколько раз данная величина отличается от единицы измерения или какую долю единицы она составляет. Размер единицы может быть установлен произвольно, но при условии возможности точного воспроизведения вещественными образцами или эталонными методами.
Средство измерения (СИ) - это техническое средство (или комплекс технических средств), предназначенное для измерения, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящие и (или) хранящие единицу физической величины, размер которой принимается неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени.
Все измеряемые ФВ можно разделить на две группы: непосредственно измеряемые, которые могут быть воспроизведены с заданными размерами и сравнимы с подобными, например длина, масса, время; непосредственно измеряемые, которые могут быть воспроизведены с заданными размерами и сравнимы с подобными, например длина, масса, время; преобразуемые с заданной точностью в непосредственно измеряемые величины, например температура, плотность. Такое преобразование осуществляется с помощью операции измерительного преобразования. преобразуемые с заданной точностью в непосредственно измеряемые величины, например температура, плотность. Такое преобразование осуществляется с помощью операции измерительного преобразования.
Суть простейшего прямого измерения состоит в сравнении размера ФВ Q с размерами выходной величины регулируемой многозначной меры q[Q]. Условием реализации процедуры прямого измерения является выполнение следующих элементарных операций: измерительного преобразования измеряемой ФВ X в другую ФВ Q, однородную или неоднородную с ней; измерительного преобразования измеряемой ФВ X в другую ФВ Q, однородную или неоднородную с ней; воспроизведения ФВ Q м заданного размера N[Q], однородной преобразованной величиной Q; воспроизведения ФВ Q м заданного размера N[Q], однородной преобразованной величиной Q; сравнения однородных ФВ: преобразованной Q и воспроизводимой мерой q m = N[Q]. сравнения однородных ФВ: преобразованной Q и воспроизводимой мерой q m = N[Q].
Рис.1. Структурная схема измерения
Размер физической величины это количественное содержание в данном объекте свойства, соответствующего понятию "физическая величина". Например, каждое тело обладает определенной массой, вследствие чего тела можно различать по их массе, т.е. по размеру интересующей нас ФВ. Значение физической величины это оценка ее размера в виде некоторого числа принятых для нее единиц. Его получают в результате ее измерения или вычисления в соответствии с основным уравнением измерения Q = q[Q], связывающим между собой значение ФВ Q, числовое значение q и выбранную для измерения единицу [Q]. В зависимости от размера единицы будет меняться числовое значение ФВ, тогда как размер ее будет одним и тем же.
Для получения результата измерения необходимо обеспечить выполнение при N = q условия: т.е. погрешность сравнения величин Q и q m должна быть минимизирована. В этом случае результат измерений находится как X = F-1{q[Q]}, где F-1 операция, обратная операции F, осуществляемой при измерительном преобразовании.
Измерительное преобразование операция, при которой устанавливается взаимно однозначное соответствие между размерами в общем случае неоднородных преобразуемой и преобразованной ФВ. Измерительное преобразование описывается уравнением вида Q = F(X), где F некоторая функция, или функционал (см. рис.1). Однако чаще стремятся сделать преобразование линейным: Q = КХ, где К постоянная величина. Измерительный преобразователь - устройство с нормированными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину, или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, индикации или передачи.
Измерительная установка - совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенных для измерений одной или нескольких физических величин и расположенных в одном месте (например, испытательный стенд для контроля качества изделий). Измерительная система - совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого пространства с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому пространству (например, радионавигационная система).
Рис. 2. Структурная схема измерительного прибора Измерительный прибор - СИ, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне. Прибор, как правило, содержит устройство для преобразования измеряемой величины и ее индикации в форме, наиболее доступной для восприятия или регистрации (шкала, диаграмма с указателем и др.), см. рис. 2. В случае сопряжения прибора с мини-ЭВМ отсчет может производиться с помощью дисплея.
Основное назначение измерительного преобразования получение и, если это необходимо, преобразование информации об измеряемой величине. Его выполнение осуществляется на основе выбранных физических закономерностей. В измерительное преобразование в общем случае могут входить следующие операции: изменение физического рода преобразуемой величины; изменение физического рода преобразуемой величины; масштабное линейное преобразование; масштабное линейное преобразование; масштабно-временное преобразование; масштабно-временное преобразование; нелинейное или функциональное преобразование; нелинейное или функциональное преобразование; модуляция сигнала; модуляция сигнала; дискретизация непрерывного сигнала; дискретизация непрерывного сигнала; квантование. квантование.
Воспроизведение физической величины, заданного размера N[Q] это операция, которая заключается в создании требуемой ФВ, с заданным значением, известным с оговоренной точностью. Операцию воспроизведения величины определенного размера можно формально представить как преобразование кода N в заданную физическую величину QM, основанное на единице данной ФВ [Q]: Q m = N[Q] (см. рис.1).
Сравнение измеряемой ФВ с величиной, воспроизводимой мерой Q m, это операция, заключающаяся в установлении отношения этих двух величин: Q > O м, Q O м, Q < Q м или Q = Q м. Точное совпадение сравниваемых величин, как правило, не встречается в практике измерений. Это обусловлено тем, что величина, воспроизводимая мерой, является квантованной и может принимать значения, кратные единице [Q]. В результате сравнения близких или одинаковых величин Q и q m может быть лишь установлено, что [Q–Q м ]<[Q]. Методом сравнения называется совокупность приемов использования физических явлений и процессов для определения соотношения однородных величин.
2. КЛАССИФИКАЦИЯ ИЗМЕРЕНИЙ Обоснованная классификация любых объектов представляет собой их условное группирование по заданным признакам, осуществляемое с определенной целью. При различных целях одни и те же объекты могут быть классифицированы по-разному. Классификация не является самоцелью, она диктуется потребностями теории и практики. Целесообразность классификации измерений, т.е. подразделение этого понятие на группы, обуславливается удобством при разработке методик выполнения измерений и обработки результатов. Измерения могут быть классифицированы по ряду признаков.
Рис. 2. Классификация видов измерений ИЗМЕРЕНИЯ По степени достаточности Нео бхо дим ые Изб ыто чны е По числу измерен ий Мн ого кра тн ые Од нок рат ные По условия м измерен ий Рав нот очн ые Нер авн ото чны е По связи с объектом Бес кон так тны е Кон так тны е По характеру результата измерений По способу получения результата По методу По точности оценки погрешности Относительные Абсолютные Прямые (непосредственные) Косвенные Совокупные Совместные Динамические Непосредственная оценка Сравнение с мерой Противопоставление Дифференциальная Согласование Замещение (совпадение) Технические Лабораторные (исследовательские) Точное оценивание погрешности Прибли женное оценивание погрешности Допусковые (пороговые)
Наибольшее распространение получила классификация по общим приемам получения результатов измерений. Согласно этому признаку, измерения делятся на прямые, косвенные, совместные и совокупные. Целью такого деления является удобство выделения методических погрешностей измерений, возникающих при определении результатов измерений. Прямыми называются измерения, при которых искомое значение величины находят непосредственно по показаниям СИ. Например, масса, измеряемая при помощи весов, температура термометром, напряжение вольтметром. Косвенные измерения это измерения, при которых значение измеряемой величины находят на основании известкой зависимости между ней и величинами, подвергаемыми прямым измерениям, которые проводились в одинаковых условиях.
Совокупными называются проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых их искомые значения находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин. Совместными называются проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для установления зависимости между ними.
По метрологическому назначению все СИ подразделяются на два вида - рабочие СИ и эталоны. Рабочие СИ предназначены для проведения технических измерений. По условиям применения они могут быть: лабораторными, используемыми при научных исследованиях, проектировании технических устройств, медицинских измерениях; лабораторными, используемыми при научных исследованиях, проектировании технических устройств, медицинских измерениях; производственными, используемыми для контроля характеристик технологических процессов, контроля качества готовой продукции, контроля отпуска товаров; производственными, используемыми для контроля характеристик технологических процессов, контроля качества готовой продукции, контроля отпуска товаров; полевыми, используемыми непосредственно при эксплуатации самолетов, автомобилей, морских судов и т. п. полевыми, используемыми непосредственно при эксплуатации самолетов, автомобилей, морских судов и т. п.
Эталоны являются высокоточными СИ, а поэтому используются для проведения метрологических измерений в качестве средств передачи информации о размере единицы. Эталон, утвержденный в качестве исходного для всей страны, называют государственным первичным эталоном. В целях проведения различных метрологических работ создаются вторичные эталоны: эталоны-свидетели, эталоны-копии, эталонысравнения, рабочие эталоны. Эталоны-свидетели предназначены для поверки сохранности и неизменности государственного эталона и для замены его в случае порчи или утраты. Эталоны- сравнения применяются для сличения эталонов, которые по каким-либо причина м не могут непосредственно сличаться друг с другом. Эталоны-копии используются для передачи размеров единиц рабочим эталонам.