Теоретические основы метрологии 1 2 3 Средства измерительной

Теоретические основы метрологии 1. 2. 3. Средства измерительной техники. Классификация. Характеристика. Метрологические свойства средств измерений. Метод, принцип и методика измерений.

Классификация средств измерительной техники Средства измерительной техники Измерительные принадлежности Средства измерений По метрологическому назначению По конструктивному исполнению Эталоны Меры Рабочие средства измерений Стандартные образцы состава и свойств материала Лабораторные Измерительные приборы Производственные Измерительные установки Полевые Измерительные системы

Определения l Средство измерений – это техническое средство, предназначенное для измерений и имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и хранящее единицу физической величины, размер которой принимается неизменным в течение известного интервала времени. l Измерительные принадлежности – вспомогательные средства, служащие для обеспечения необходимых условий для выполнения измерений с требуемой точностью (термостат, барокамера, противовибрационные фундаменты) l Рабочее средство – это средство измерений, предназначенное для измерений не связанных с передачей размера единицы физической величины другому средству измерений. l Эталон - это СИ или комплекс СИ, предназначенные для передачи размера единицы физической величины другим СИ и утвержденное в качестве эталона в установленном порядке.

Передача размера единицы величины l Это приведение размера единицы, хранимой поверяемым СИ, к размеру единицы, воспроизводимой или хранимой эталоном. Передача размера осуществляется при сличении этих единиц. l При передаче информации о размере единиц обширному парку СИ приходится прибегать к многоступенчатой процедуре в соответствии в поверочной схемой. l Процесс передачи размера единиц происходит при поверке и калибровке СИ. Поверка и калибровка представляют собой набор операций, выполняемых с целью определения и подтверждения соответствия СИ установленным техническим требованиям.

Схема передачи размера единицы физической величины Первичный эталон Вторичный эталон Рабочие эталоны Нулевого разряда Первого разряда Второго разряда Третьего разряда Четвертого разряда Рабочие средства измерений

Эталоны, используемые в государственной поверочной схеме для средств измерений массы Наименование средств измерений Диапазон измерений Погрешность Государственный первичный эталон - гиря 1 кг 2 • 10 -9 кг Вторичный эталон (эталон-копия) - гиря 1 кг 2 • 10 -8 кг Рабочий эталон 0 -го разряда – набор гирь От 1 до 500 г От 8 • 10 -7 до 2 • 10 -5 г Рабочий эталон 1 -го разряда – набор гирь От 1 мг до 1000 г 2 • 10 -3 мг - 5 • 10 -4 г Рабочий эталон 2 -го разряда – набор гирь От 1 мг до 20 кг 6 • 10 -3 мг - 3 • 10 -2 г Рабочий эталон 3 -го разряда – набор гирь От 1 мг до 20 кг 1, 5 • 10 -2 мг - 7, 5 • 10 -2 г Рабочий эталон 4 -го разряда – набор гирь От 5 мг до 2000 кг 4 • 10 -1 мг - 2 г Рабочие средства измерений – набор гирь 1, 2, 3 класса От 1 мг до 20 кг 2 • 10 -3 мг - 7, 5 • 10 -2 г -1

Требования к эталонам единиц физических величин 1. Государственные эталоны образуют эталонную базу РФ и не подлежат приватизации. 2. Государственные первичные эталоны содержатся и применяются в государственных научных метрологических институтах. 3. Государственные первичные эталоны подлежат утверждению федеральным органом исполнительной власти и подлежат сличению с эталонами единиц величин Международного бюро мер и весов и национальными эталонами единиц величин иностранных государств.

Конструктивное исполнение средств измерений Меры величины — СИ, предназначенные для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров. Однозначные - гиря 1 кг, калибр, мерная колба, конденсатор постоянной емкости Многозначные - масштабная линейка, мерный цилиндр, бюретка; Наборы мер - набор гирь, набор калибров Стандартные образцы состава и свойств вещества (материала) – это образцы с установленными значениями величин, характеризующих содержание определенных компонентов в веществе (материале) или физические, химические, биологические и другие свойства. Стандартные образцы чистых веществ, сплавов, нефтепродуктов, медицинских препаратов, образцов почв, образцов газов и газовых смесей, белизны, твердости. Образцы сортов пшеничной муки Стандарт-титры для р. Н-метрии Измерительный прибор — СИ, предназначенное для получения значений ФВ в установленном диапазоне. Содержит устройство для преобразования измеряемой величины и ее индикации в доступной для восприятия форме (шкала, диаграмма, цифроуказатель). Показывающие приборы – термометр, амперметр, ареометр, рефрактометр, спектрофотометр и т. д. Регистрирующие – фаринограф.

Конструктивное исполнение средств измерений Измерительная установка – совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов и других устройств, предназначенных для измерений одной или нескольких физических величин и расположенных в одном месте. Установка для испытания и поверки счетчиков холодной и горячей воды Измерительная система – совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого пространства с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому пространству. Радионавигационная система для определения местоположения судов, состоящая из ряда измерительных комплексов, разнесенных в пространстве на значительном расстоянии друг от друга.

Метрологические свойства СИ — это свойства, влияющие: l на результат измерений l и его погрешность. Показатели метрологических свойств являются их количественной характеристикой и называются метрологическими характеристиками: l нормируемые МХ - устанавливаемые нормативным или техническим документами; l действительные МХ - определяемые экспериментально

Классификация метрологических характеристик по ГОСТ 8. 009 -84 1. Характеристики предназначенные для определения результата измерений (номинальное значение однозначной меры, цена деления шкалы, диапазон показаний или измерений, параметры цифрового кода и т. д. ) 2. Характеристики точности средств измерений (основная погрешность, дополнительная погрешность, точность). 3. Характеристики чувствительности средств измерений к влияющим величинам (чувствительность СИ, порог чувствительности СИ) 4. Динамические характеристики, учитывающие инерционные свойства СИ.

Характеристики чувствительности СИ l Чувствительность СИ – это отношение изменения сигнала на выходе к вызывающему его изменению измеряемой величины. l Порог чувствительности — наименьшее изменение измеряемой величины, которое вызывает заметное изменение выходного сигнала. Например, если порог чувствительности весов равен 10 мг, то это означает, что заметное перемещение стрелки весов достигается при таком малом изменении массы, как 10 мг.

Точность средств измерений Точность измерений СИ определяется их погрешностью. Погрешность средства измерений (∆Х ) — это разность между показаниями СИ (Хизм. ) и истинным (действительным) значением измеряемой величины (Х ист. (д. )). ∆Х = Хизм. – Х ист. (д. ) Для конкретной измерительной задачи истинное значение измеряемой величины заменяют на действительное. ∆Х - абсолютная погрешность

Классификация погрешностей средств измерений Погрешности средств измерений По способу выражения По характеру проявления По отношению к условиям применения абсолютные Систематические Основные относительные Случайные дополнительные приведенные

Виды погрешностей по способу выражения Абсолютная погрешность - ∆Х Относительная погрешность результата измерения - погрешность измерения, выраженная отношением абсолютной погрешности измерения к действительному или измеренному значению величины. Приведенная погрешность измерения - это отношение абсолютной погрешности к нормирующему значению Хn: Нормирующее значение Хn принимается равным: 1) Хn = Х 100% - конечному значению диапазона измерений - для приборов с односторонней шкалой; 2) Хn = Х 100% + Х 0% - сумме конечных значений диапазона измерений - для приборов с двухсторонней шкалой; 3) Хn = Х 100% - Х 0% - разности конечного и начального значений диапазона - для приборов с безнулевой шкалой.

Систематическая погрешность — это cоставляющая погрешности результата измерения, остающаяся постоянной (или же закономерно изменяющейся) при повторных измерениях одной и той же величины. Примеры: l погрешность градуировки, в частности погрешность показаний прибора с круговой шкалой и стрелкой, если ось последней смещена на некоторую величину относительно центра шкалы. Если эта погрешность известна, то ее исключают из результатов разными способами, в частности введением поправок. l при химическом анализе систематическая погрешность проявляется в случаях, когда метод измерений не позволяет полностью выделить элемент или когда наличие одного элемента мешает определению другого (коэффициенты извлечения жира) Величина систематической погрешности определяет такое метрологическое свойство, как правильность измерений СИ.

Случайная погрешность l Случайная погрешность — составляющая погрешности результата измерения, изменяющаяся случайным образом (по знаку и значению) в серии повторных измерений одного и того же размера величины с одинаковой тщательностью. Они неизбежны и неустранимы, всегда присутствуют в результатах измерения. При многократном и достаточном измерении они порождают рассеяние результатов. Характеристиками рассеяния являются: l размах результатов измерений Rn = X max – X min l средняя квадратическая погрешность результатов единичных измерений Поскольку рассеяние носит вероятностный характер, то при указании на значения случайной погрешности задают вероятность P = 0, 95.

Характеристика погрешностей по отношению к условиям применения l Основная погрешность – это погрешность СИ, применяемого в нормальных условиях. l Дополнительная погрешность – это погрешность, возникающая дополнительно, вследствие отклонения влияющей величины от нормального значения. Нормальными считаются условия, при которых изменением характеристик под воздействием внешних факторов (температура, влажность и пр. ) принято пренебрегать. Нормальными условиями применения для многих типов СИ являются: l являются температура (293 ± 5) К, l атмосферное давление (100 ± 4) к. Па, l относительная влажность (65 ± 15)%, l электрическое напряжение в сети питания 220 В ± 10%. Рабочие условия отличаются от нормальных более широкими диапазонами изменения влияющих величин. И те и другие метрологические характеристики указываются в НД.

Класс точности средств измерений Класс точности СИ — обобщенная характеристика, выражаемая пределами допускаемых (основной и дополнительной) погрешностей, а также другими характеристиками, влияющими на точность. Классы точности конкретного типа СИ устанавливают в НД. Присваиваются средствам измерений при их разработке (по результатам приемочных испытаний). При эксплуатации метрологические характеристики СИ обычно ухудшаются, поэтому допускается понижать класс точности СИ по результатам поверки (калибровки). Обозначение класса точности: Если пределы допускаемой погрешности выражаются в абсолютной форме, то класс точности обозначается: l Римскими цифрами – I , III, IIII l Заглавными буквами латинского алфавита - М, С Если погрешность выражена в относительной форме, то она указывается на щитке прибора.

Расшифровка обозначений классов точности на средствах измерений Обозначение класса точности на средстве измерений в докумен тации 0, 5 Класс точности 0, 5 Класс точности 0, 5 0, 02/0, 01 Класс точности 0, 02/0, 01 Форма выражения погрешност и Пределы допускаемой основной погрешности Примечание γ = ± 0, 5% нормирующее значение выражено в единицах измеряемой величины γ = ± 0, 5% нормирующее значение принято равным длине шкалы или её части δ = ± 0, 5% δ = Δ / х δ = ±[0, 02 + 0, 01·(|хк / х| - 1)] % δ = ±[c + d·(|хк / х| - 1)] Приве денная Относи тельная

Метод, принцип, методика измерений Метод измерений — прием или совокупность приемов сравнения измеряемой величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. Принцип измерений – физическое явление или эффект, положенное в основу измерений. Методика (метод) измерений - совокупность конкретно описанных операций, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с установленными показателями точности (Закон «Об обеспечении единства измерений» )

Классификация методов измерений Методы измерений По условиям измерений По способу сравнения измеряемой величины с её единицей В зависимости от измерительных средств контактные Непосредственной оценки инструментальный бесконтактные Сравнения с мерой экспертный Нулевой метод эвристический Дифференциальный метод органолептический Метод совпадений Метод замещения

Характеристика методов измерений Метод непосредственной оценки - метод измерения, при котором значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия. Метод сравнения с мерой – метод измерения, при котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой: l l нулевой, при котором результирующий эффект воздействия на прибор сравнения доводят до нуля; дифференциальный, при котором измеряемую величину сравнивают с однородной величиной, имеющей известное значение, незначительно отличающиеся от значения измеряемой величины, и производят измерение разности между этими величинами; замещения, при котором измеряемую величину заменяют мерой с известным значением величины; совпадений, при котором разность между измеряемой величиной и величиной воспроизводимой мерой, определяют, используя совпадения отметок шкал или периодических сигналов.

Требования к методикам выполнения измерений Документы, устанавливающие общие положения и требования, относящиеся к разработке, аттестации, стандартизации, применению методик измерений и метрологическому надзору за ними: l Закон «Об обеспечении единства измерений» l ГОСТ Р 8. 563 -2009 Государственная система обеспечения единства измерений. Методики (методы) измерений Аттестация методик измерений – это подтверждение соответствия методик (методов) измерений обязательным метрологическим требованиям к измерениям. Аттестацию МВИ проводят: l Государственные научные метрологические центры; l Органы государственной метрологической службы; l Метрологические службы аккредитованные на право выполнения аттестации МВИ. По результатам аттестации выдается свидетельство об аттестации Сведения об аттестованных методиках измерений передаются в Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений.