6 Основы метрологии 1. 2. 3. 4. 5. 6. 4. 3 5 6 Краткая история развития метрологии Основные понятия метрологии Объекты метрологии Основы технических измерений 4. 1 Физическая величина как объект измерения 4. 2 Методы и средства измерений Погрешности и неопределенность измерения Техническая основа обеспечения единства измерений Правовая и организационная основы обеспечения единства измерений в РК (самостоятельно)
1 Краткая история развития метрологии n n n Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности Нет ни одной сферы человеческой деятельности, где бы ни использовались результаты измерений. Ежедневно, например, в России выполняется свыше 20 млрд. различных измерений, а затраты труда на обеспечение и проведение измерений составляют 10 -15% общих затрат на производство продукции. Потребность в измерениях возникла в незапамятные времена. Для этого использовались подручные средства Например, единица веса драгоценных камней – карат в переводе означает «семя боба» , «горошина» . Многие меры имели антропометрическое происхождение. Так, в Киевской Руси применялись в обиходе вершок – длина фаланги указательного пальца; пядь – расстояние между концами вытянутых большого и указательного пальцев; локоть – расстояние от локтя до конца среднего пальца; косая сажень – расстояние от подошвы левой ноги до конца среднего пальца вытянутой вверх правой руки; верста –длина борозды. Первое учреждение на территории Казахстана, в задачи которого входило определение пригодности приборов к применению, появилось в 1923 г. Как Семипалатинское отделение Омской поверочной палаты. Семипалатинское отделение в 1925 г. Преобразовано в Поверочную палату. В 1993 г. Был принят закон «О единстве измерений»
2 Основные понятия метрологии n n n n Измерение – нахождение значения величины опытным путем с помощью специальных технических средств Физическая величина – это одно из свойств физического объекта общее в качественном отношении для многих физических объектов, но индивидуальное в количественном отношении для каждого из них Измерительный прибор - средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателя Истинное значение физической величины - значение, которое бы идеальным образом характеризовало физическую величину в качественном и количественном отношении Действительное значение физической величины - значение физической величины, полученное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному, что может быть использовано вместо него Погрешность измерения – отклонение значений величины, найденной путем ее измерения от истинного (действительного) значения измеряемой величины Средство измерения - техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические характеристики
n n n n Мера - средство измерений, предназначенное для воспроизведения одного или нескольких фиксированных значений физической величины Эталон единицы величины – это средство измерений, предназначенное для воспроизведения и хранения единицы величины в целях передачи ее размера другим средствам измерений данной величины Погрешность прибора – это разность между показаниями прибора и истинным (действительным) значением измеряемой величины Единство измерений – это состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах величин и погрешности измерений не выходят за установленные границы Метрологическая служба – это совокупность субъектов деятельности и видов работ, направленных на обеспечение единства измерений Поверка средств измерений – совокупность операций, выполняемых государственной метрологической службой или другими аккредитованными юридическими лицами в целях определения и подтверждения соответствия средства измерений установленным техническим и метрологическим требованиям Калибровка средства измерения – совокупность операций, устанавливающих соотношение между значением величины, полученным с помощью данного средства измерений, и соответствующим значением величины, определенным с помощью эталона, в целях определения действительных значений метрологических характеристик средства измерений и (или) пригодности к применению средства измерений, не подлежащего государственному метрологическому контролю
3 Объекты метрологии К объектам метрологии относят: Объекты метрологии единицы величин средства измерений эталоны методики выполнения измерений Но традиционно основным объектом измерения в метрологии являются физические величины (ФВ) Кроме ФВ используются нефизические величины (медицина, экономика, информатика, управление качеством и др. ) Отличительная особенность ФВ – их измеримость Нефизические величины – оцениваемые или вычисляемые. Например, оценка интеллекта, оценка качества и т. п. Понятия ФВ и «показатель качества» близки, но не тождественны. ФВ отражает объективные свойства природы, а показатель качества – общественную потребность в конкретных условиях. Например, масса – ФВ, а масса изделия- показатель его транспортабельности
4 Основы технических измерений 4. 1 Физическая величина как объект измерения T T Существуют основные и производные ФВ Основные ФВ характеризуют фундаментальные свойства материального мира. Так, механика базируется на 3 -х основных величинах, теплотехника на 4 -х, а физика – на 7 -ми. Установлено 7 основных ФВ: длина, масса, время, термодинамическая температура, количество вещества, сила света, сила электрического тока T С их помощью и 2 -х дополнительных величин – плоского и телесного углов создается все многообразие производных физических величин и обеспечивается описание любых свойств физических объектов и явлений. T Размерность ФВ является ее качественной характеристикой и обозначается символом dim.
Размерность производной ФВ можно выразить через размерность основных ФВ с помощью степенного одночлена: где L, M, T – размерности соответствующих основных ФВ, ά, β, γ - показатели размерности Размер измеряемой величины является количественной ее характеристикой. Получение информации о размере физической или нефизической величины является содержанием любого измерения. Чтобы объективно оценивать ФВ, надо выбрать шкалу. Измерение (сравнение неизвестного с известным) происходит под влиянием множества случайных и неслучайных, адаптивных (прибавляемых) факторов, точный учет которых невозможен, а результат совместного воздействия непредсказуем: Основной постулат метрологии ─ отсчет является случайным числом
Итак, результатом измерения является оценка физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц. n Таким образом, измерение – это нахождение значения ФВ опытным путем с помощью специальных технических средств. n n Метрологическая суть измерений сводится к уравнению измерений: X = n · {x} где X - измеряемая величина; или n = X / {x} - единица величины; n - число Например, измеряется длина отрезка прямой в 10 см с помощью линейки, имеющей деления в см и мм. Тогда: То же, в мм: ………………………? Вывод: применение различных единиц привело к изменению результата
n n n По виду уравнения измерения классифицируются следующие виды измерений: прямые; косвенные; совместные; совокупные. При прямом измерении искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных, например, измерение массы на весах, угла угломером или измерение диаметра штангенциркулем. При косвенном измерении искомое значение величины определяют на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям, например, определение среднего диаметра резьбы с помощью трёх проволочек или угла с помощью синусной линейки или определение объема тела по результатам его трех измерений. Совместными называют измерения, производимые одновременно (прямые или косвенные) двух или нескольких неодноимённых величин. Целью совместных измерений является нахождение функциональной зависимости между величинами, например, зависимости длины тела от температуры, зависимости электрического сопротивления проводника от давления и т. п. Совокупные - это такие измерения, в которых значения измеряемых величин находят по данным повторных измерений одной или нескольких одноименных величин при различных сочетаниях мер или этих величин. Результаты совокупных измерений находят путём решения системы уравнений, составляемых по результатам нескольких прямых измерений. Например, совокупными являются измерения, при которых массы отдельных гирь набора находят по известной массе одной из них и по результатам прямых сравнений масс различных сочетаний гирь.
4. 2 Методы и средства измерений Метод измерения - это совокупность приемов использования принципов и средств измерений, при которых происходит процесс измерения n По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения методы измерений делятся на: v статические (при которых измеряемая величина остается постоянной во времени). Например, измерение размеров тела, постоянного давления. v динамические ( в процессе которых измеряемая величина изменяется и остается непостоянной во времени). Например, измерение вибраций. § По способу получения результатов измерений: v прямые v косвенные совместные (одновременное измерение двух или нескольких неодноименных величин для поиска функциональной зависимости) n
Средства измерений (СИ) Конструктивное исполнение мера измерительный преобразователь (датчик) измерительные приборы (аналоговые и цифровые) Метрологическое назначение эталоны измерительные установки (испытательные стенды) Измерительные системы (например, радионавигационная система) рабочие СИ (для проведения технических измерений)
4. 3 Погрешность и неопределенность измерения Погрешность – разность между измеренным Хизм и истинным Хист значениями измеряемой величины. На практике Хист заменяется на его оценку – действительное значение величины Хд n. Позитивной характеристикой качества измерений является точность измерений. Точность и погрешность связаны обратной зависимостью - измерение тем более точно, чем меньше его погрешность. Если погрешность измерения составляет 2· 10 -5, то его точность составляет …? n. В последнее время для оценки качества измерительной информации все чаще используют понятие «неопределенность измерений» . n. Неопределенность измерений – параметр, связанный с результатом измерений и характеризующий рассеяние значений, которые можно приписать измеряемой величине. n. Этим параметром может быть среднее квадратическое отклонение, число кратное ему или половина доверительного интервала. n. Основное различие между неопределенностью и погрешностью состоит в представлении о существовании истинного значения. n. Если в начальный постулат заложено существование истинного значения, то это неизбежно приводит к определению погрешности измерения, а если существование истинного значения отрицается, то следствием является представление о неопределенности результата измерения.
5 Техническая основа обеспечения единства измерений Техническую основу обеспечения единства измерений составляют: - государственные эталоны единиц величин и эталоны единиц величин, применяемые метрологическими службами РК - средства измерений n Эталоны единиц величин по характеру эксплуатации исходные эталоны подчиненные эталоны по точности первичные по принадлежности государственные вторичные рабочие 0 -го разряда и т. п. рабочие СИ эталоны метрологических служб
n n Первичные эталоны – это уникальные СИ, представляющие собой сложнейшие измерительные комплексы, созданные с учетом новейших достижений науки и техники Официально утвержденный первичный эталон носит название государственного (хранятся в метрологических институтах) Передачу размеров единиц от эталонов производят по поверочным схемам. В них указывают: - для эталонов – нижние границы допускаемых значений характеристик их погрешностей - для рабочих эталонов – верхние границы допускаемых значений характеристик их погрешностей Поверочная схема – нормативный документ, устанавливающий соподчинение СИ, участвующих в передаче размера единицы от эталона рабочим средствам измерений, утвержденный в установленном порядке
7 Эталонная база РК: - 20 государственных эталонов (эталоны массы, единицы длины, 6 единиц давления, эталон единицы напряжения переменного тока и т. д. - Кроме того имеется 518 рабочих эталонов и 710 1 -го и 2 го разрядов, 879 - 3 -го разряда. § Передача размера единицы осуществляется при сличении единицы ФВ, хранимой проверяемыми СИ с размером единицы, хранимой эталоном § Самыми распространенными вторичными являются рабочие эталоны 1, 2, 3, 4 разрядов. От них размер передается рабочим СИ. Их число по каждому из видов измерений достигает сотен тысяч и даже миллионов (термометры, манометры)
6 Правовая и организационная основы обеспечения единства измерений в РК n n n В 1993 г. в РК принят закон «О единстве измерений» В 2000 г. закон «Об обеспечении единства измерений» Эти законы призваны защищать от отрицательных последствий недостоверных результатов измерений Объектами метрологического контроля являются: - эталоны единиц величин - СИ - методики выполнения измерений - персонал, осуществляющий проверку, калибровку, производство, ремонт и юстировку СИ СИ характеризуются нормированными метрологическими показателями СИ: - длина шкалы - цена деления - диапазоны измерений и показаний - градуировочная характеристика и др.