Головні завдання, функції і розділи метрології.
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ "ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА"
КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ
з дисципліни
«МЕТРОЛОГІЯ, СТАНДАРТИЗАЦІЯ, СЕРТИФІКАЦІЯ ТА АКРЕДИТАЦІЯ»
для студентів базового напрямку
6.0913 “Прилади точної механіки”
Затверджено
на засіданні
кафедри
«Метрологія,
стандартизація та
сертифікація»
Протокол № 1 від
22 серпня 2011 р.
Львів - 2011
Конспект лекцій з дисципліни «Метрологія, стандартизація, сертифікація та акредитація» для студентів базового напрямку 6.0913 “Прилади точної механіки. Укладач В. С. Рак, -Львів: Видавництво Національного університету "Львівська політехніка", 2011, - 73 с.
Укладач Рак В. С., к. т. н., доц. каф. МСС.
Відповідальний за випуск Столярчук П.Г., д-р. техн. наук, проф.
Рецензент Байцар Р. І., д-р. техн. наук, проф.
ЗМІСТ
РОЗДІЛ 1. МЕТРОЛОГІЯ
Лекція 1.
1.1.1. Загальні відомості про метрологію та історія її розвитку……………….5
1.1.2. Головні завдання, функції і розділи метрології…………………………..6
1.1.3 Основні терміни та визначення…………………………………………….7
Лекція 2.
1.2.1. Фізична величина як об’єкт вимірювання. Різновидності величин,
їх систематизація та види значень величин………………………………9
1.2.2. Одиниці вимірювань фізичних величин………………………………...10
|
|
|
1.2.3. Міжнародна система одиниць СІ…………….………………………..…11
Лекція 3.
1.3.1. Види вимірювань………………………………………………………….12
1.3.2. Прямі та непрямі вимірювання……………………………...…………...13
1.3.3. Методи вимірювань. Компенсаційний, нульовий та
диференційний методи вимірювання. Методи заміщення та збігання..13
Лекція 4.
1.4.1 Класифікація засобів вимірювання та їх структурні схеми…………….14
1.4.2. Принципи дії засобів вимірювання прямого перетворення,
із зрівноваженням та комбінованого перетворення…………………….16
1.4.3. Інформаційно-вимірювальні системи……………………………………19
Лекція 5.
1.5.1. Метрологічні характеристики засобів вимірювання….………………...20
1.5.2. Статичні характеристики засобів вимірювання………………………...21
1.5.3. Динамічні характеристики засобів вимірювання……………………….23
1.5.4. Нормальні та робочі умови експлуатації засобів вимірювання………..25
Лекція 6.
1.6.1. Прилади для вимірювання лінійних та кутових розмірів………………27
1.6.2. Засоби контролю та вимірювання розмірів і
якості поверхонь виробів…………………………………………………31
Лекція 7.
1.7.1. Метрологічна служба та її діяльність…………………………………...31
|
|
|
1.7.2. Забезпечення єдності і точності вимірювань
Метрологічне забезпечення вимірювань.…….…………………………33
1.7.3. Державні випробування засобів вимірювань……………………………34
1.7.4. Державний метрологічний нагляд……………………………………….34
1.7.5. Еталони одиниць фізичних величин…………………………………......35
РОЗДІЛ 2. СТАНДАРТИЗАЦІЯ
Лекція 8.
2.8.1. Основні положення і терміни…………………………………………….37
2.8.2. Мета і завдання стандартизації………………………………...………...38
2.8.3. Національна система стандартизації України…………………………..39
Лекція 9.
2.9.1. Види стандартів та їх призначення…………..…………………...……..41
2.9.2. Порядок розроблення, впровадження, побудова,
вимоги до викладу і зміст національних стандартів…………………...44
Лекція 10.
2.10.1. Основні принципи стандартизації. Ряди переважних чисел
та параметричні ряди…………………………………………………....47
2.10.2. Уніфікація виробів……………………………………………..……….49
2.10.3. Взаємозамінність та її види…………………………………………….49
2.10.4. Поняття про одиницю допуску та квалітет точності………………….50
Лекція 1 1 .
2.11.1. Система допусків та основних відхилень ISO.
Графічне зображення розмірів, їх відхилень та допусків……………..51
|
|
|
2.11.2. Система нормування шорсткості поверхонь…………………………..53
Лекція 12.
2.12.1. Європейські організації зі стандартизації.
Напрями і особливості діяльності………………………………………55
РОЗДІЛ 3. СЕРТИФІКАЦІЯ ТА АКРЕДИТАЦІЯ
Лекція 13.
3.13.1. Система сертифікації УкрСЕПРО. Структура і функції УкрСЕПРО...57
3.13.2. Найважливіші відомості, терміни та визначення……………………...59
Лекція 14.
3.14.1. Сертифікація продукції.
Порядок і стадії проведення процедури сертифікації…………………61
3.14.2. Моделі сертифікації продукції. 62
Лекція 15.
3.15.1. Атестація виробництва………………………………………………….64
3.15.2. Основні етапи робіт з атестації виробництва продукції і послуг…….64
Лекція 16.
3.16.1. Акредитація у системі УкрСЕПРО……………………………………..66
3.16.2. Вимоги до органів сертифікації та порядок їх акредитації………...…67
3.16.3. Вимоги до випробувальних лабораторій та до аудиторів…………….68
РОЗДІЛ 1. МЕТРОЛОГІЯ
ЛЕКЦІЯ 1
Тема : Загальні відомості про метрологію та історія її розвитку.
Головні завдання, функції і розділи метрології.
|
|
|
Основні терміни та визначення.
1.1.1.Загальні відомості про метрологію та історія її розвитку. Державний стандарт України ДСТУ 2681-94 “Метрологія. Терміни та визначення.” дає визначення метрології як науки про вимірювання.
Метрологія вивчає такі питання як методи вимірювань та забезпечення їх єдності, а також способи досягнення необхідної точності. Під єдністю вимірювань слід розуміти те, що результати вимірювань фізичних величин представлені в узаконених одиницях, а їх похибки відомі зі заданою імовірністю.
Приклад використання неузаконених та узаконених одиниць:
Скільки миль пролетить літак, заправлений двома барелями бензину на висоті 4 тис метрів, при зустрічному вітрі 2 ярди/сек та витраті палива 20 літрів на версту?
1 миля законна=1608,344 м 1верста=1,06680 км,
1ярд=3фути=36 дюймів= 0,9144 м
1дюйм=2,54 см; 1барель(барило)=159 л.
Зародження древніх цивілізацій привело до поступового переходу від натурального обміну між людьми до обміну через гроші. В результаті виникла необхідність у визначенні еквівалентної вартості товарів, що у свою чергу спричинило необхідність їх порівняння. Таким чином на певних територіях з’явилися договірні (узаконені) міри. З розвитком древніх цивілізацій розвивалась і будівельна справа, яка також не могла існувати без вимірювань та мір. Необхідність у вимірюваннях породжувала необхідність у створенні “зразкових” мір та правил їх використання. Таким чином виникали і перші паростки, так би мовити, законодавчої метрології. У середні віки зразкові міри довжини, об’єму та ваги були виставлені у головних храмах феодальних володінь. Кожен з жителів даної округи міг зробити собі їх копію.
До середини дев’ятнадцятого століття вимірюванню підлягали механічні величини. З розвитком вчення про електрику почали розвиватись електричні вимірювання. Спочатку такі вимірювання застосовувались виключно в електротехніці. Але такі їх переваги як дистанційність, можливісь автоматизації вимірювань та здатність вимірювати швидкозмінні величини, висока чутливість і точність обумовили створення вимірювальних перетворювачів, в яких неелектрична величина перетворюється в електричну з притаманними їй перевагами і потім вимірювалась.
У другій половині ХХ ст. у засобах вимірювальної техніки почали використовуватись не тільки такі галузі фізики і техніки як електрика та електроніка, а й досягнення квантової електроніки, сучасної оптики, техніки надвисоких частот, фізики кристалів, технології виготовлення мікросхем. В сучасних засобах вимірювання всі ці складові проникають одна в одну, їх взаємодії переплітаються та взаємодоповнюються, створюючи прилади з новими якісними можливостями. Так оптичний інтерферометр ОМІ-1 здатний вимірювати переміщення з амплітудою 1,1 нанометра при рівні власних шумів 0,1-0,2 нанометра в смузі більше 10 Гц.
Головні завдання, функції і розділи метрології.
Для забезпечення єдності вимірювань та досягнення їх необхідної точності метрологія ділиться на три основні розділи (напрямки):
науково-теоретичну метрологію;
законодавчу метрологію;
прикладну метрологію.
Завданнями науково-теоретичної метрології є:
· Розроблення та вдосконалення таких теоретичних основ метрології як загальна теорія вимірювань, теорія похибок, теорія надійності засобів вимірювальної техніки (ЗВТ), теорії вимірювальних перетворень, теорії передавання вимірювальної інформації.
· Фізичні дослідження та використання найновіших досягнень науки для створення нових методів вимірювань та точніших ЗВТ, удосконалення еталонів, удосконалення мір,
· Розроблення методик визначення фізичних констант та вдосконалення еталонів, мір, та засобів вимірювань зі створенням наукових основ їх державних випробувань.
· Вдосконалення наукових основ єдності мір та вимірювань шляхом розроблення та вдосконалення нормативної документації (стандарти, технічні умови, інструкції та методичні вказівки).
· Створення та вдосконалення наукових основ державної служби стандартних довідкових даних та стандартних зразків з їх зберіганням, апробацією та розповсюдженням.
Практиктичне втілення досліджень та розроблень базується на законодавчій метрології, яка спирається на Закони України, Декрети і постанови Кабінету Міністрів України. Завдання законодавчої метрології полягають в:
· Узаконенні (стандартизації) термінів та їх означень, систем одиниць, системи еталонів, мір та засобів вимірювання.
· Узаконенні класів точності ЗВТ та методик оцінювання їх точності.
· Узаконенні стандартних довідкових даних, методик повірки та контролю вимірювальних засобів, методик контролю та атестації якості продукції.
Як забезпечується єдність вимірюваннь, чи не порушуються методичні вказівки та інструкціії, розроблені теоретичною метрологією та узаконені законодавчою на практиці, визначає прикладна метрологія. Завданнями прикладної метрології є :
· Організація державної служби єдності мір та вимірювань, включно з організацією та проведенням періодичної повірки ЗВТ, організацією та здійсненням випробувань нових ЗВТ, контроль за станом засобів вимірювання го підприємств.
· Організація державної служби довідкових даних та стандартних зразків, в тому числі видання офіційних довідників зі значеннями констант та властивостей речовин і матеріалів, виготовлення та випуск стандартних зразків та організація їх атестації.
· Організація служби контролю за дотриманням стандартів та технічних умов під час виробництва, державних випробувань та атестації якості продукції.
Організаційною основою метрологічного забезпечення є державна та відомча метрологічні служби.
Порівнюючи окремі завдання можна розрізнити, які з них більше чи менше відповідають окремим трьом розділам метрології, але ніколи їх не можна віднести тільки до одного з них. Однак треба зазначити, що функції прикладної і законодавчої метрологій завжди підпорядковані положенням теоретичної. В свою чергу, положення теоретичної метрології знаходять практичну перевірку при реалізації функцій прикладної та законодавчої метрологій.
1.1.3Основні терміни та визначення. Законом України “Про метрологію та мертологічну діяльність” та ДСТУ 2681-94 узаконені наступні терміни:
Вимірювання – відображення значень фізичних величин за допомогою експерименту та обчислень зі застосуванням спеціальних технічних засобів.
Єдність вимірювань – стан вимірювань, за якого їхні результати виражаються в узаконених одиницях, а похибки вимірювань відомі і не виходять за встановлені межі зі заданою імовірністю.
Засіб вимірювальної техніки – технічний засіб, який застосовується під час вимірювань і має нормовані метрологічні характеристики. До засобів вимірювальної техніки належать засоби вимірювань та вимірювальні пристрої.
Засіб вимірювань – засіб вимірювальної техніки, який реалізує процедуру вимірювань. До засобів вимірювань належать кодові засоби вимірювань, реєструючі засоби вимірювань, вимірювальні прилади та вимірювальні системи.
Вимірювальний пристрій – засіб вимірювальної техніки, в якому виконується одна зі складових частин вимірювань.
Вимірювальний прилад – засіб вимірювань в якому вимірювальна інформація відображена візуально.
Метрологічні характеристики - характеристики засобів вимірювань, що нормуються для визначення результату вимірювання та його похибок.
Метрологічна служба - мережа організацій, окрема організація або окремий підрозділ, на які покладена відповідальність за забезпечення єдності та точності вимірювань у закріпленій за ними сфері діяльності;
Метрологічне забезпечення - встановлення й застосування метрологічних норм і правил, а також розроблення, виготовлення та застосування технічних засобів, необхідних для забезпечення єдності й потрібної точності вимірювань;
Повірка засобів вимірювальної техніки - визначення похибок засобів вимірювальної техніки та встановлення придатності їх до застосування.
Поданий перелік є не повним тому, що деяким термінам та означенням у майбутньому буде приділено особливу увагу аж до окремих лекцій.
Для кращого розуміння більш детально розглянемо такі терміни, як вимірювальний пристрій, вимірювальний перетворювач, міра, первинний перетворювач, сенсор.
Користуючись тільки вимірювальним пристроєм не завжди можна виконати вимірювання. Воно може бути виконане засобом вимірювання, складовою частиною якого є вимірювальний пристрій.
Вимірювальний перетворювач є вимірювальний пристрій у якому відбувається перетворення вхідного інформативного параметра у вихідний, який однозначно функціонально зв’язаний з вхідним. Вихідний інформативний параметр повинен бути зручним для дальшого перетворення, обробки, зберігання, але не придатний для безпосереднього сприйняття спостерігачем.
Вимірювальний перетворювач повинен мати максимальну чутливість до вхідного інформативного параметра, і по можливості бути не чутливих до всіх інших, які діють на нього.
Зв’язок між вхідним та вихідним інформативним параметром описує функція перетворення.
Вимірювальний перетворювач встановлений першим у коло вимірювальних перетворень називається первинним.
Приклади: калібрувальний шунт, термопара, вимірювальний трансформатор, АЦП.
Поряд з терміном первинний перетворювач широке розповсюдження має термін сенсор (давач). Іноді ці терміни утотожнюють, що приводить до непорозумінь.
Сенсором слід називати засіб вимірювань, що являє собою конструктивно завершений пристрій, розміщений безпосередньо в зоні об’єкта, що досліджується.
Міра (величини) - вимірювальний пристрій, що реалізує відтворення й збереження фізичної величини заданого значення.
Міра, що відтворює одне значення фізичної величини називається однозначною, а міра призначена для відтворення ряду значень величини є баготозначною.
Приклад однозначних мір: гиря, вимірювальний резистор, лінійка певної довжини без поділок.
Приклад багатозначних мір: лінійка з поділками; змінний конденсатор з градуювальною шкалою.
Набір мір це спеціально підібраний комплект конструктивно відокремлених мір, що можуть використовуватись не тільки окремо, а й у різних комбінаціях для відтворення різних значень фізичної величини.
Приклад: набір вимірювальних резисторів або конденсаторів, набір гир Мєндєлєєва.
Набір мір конструктивно об’єднаний з пристроєм для вмикання їх у різних комбінаціях називається магазином мір.
Приклад: магазини опорів, індуктивностей, ємностей.
ЛЕКЦІЯ 2
Тема: Фізична величина як об’єкт вимірювання. Різновидності величин, їх систематизація та види значень величин. Одиниці вимірювань фізичних величин. Міжнародна система одиниць СІ.
1.2.1.Фізична величина як об’єкт вимірювання.Різновидності величин, їх систематизація та види значень величин. Фізична величина (ФВ) – спільна в якісному відношення для багатьох фізичних об’єктів, але в кількісному індивідуальна для кожного з них. Якісно однакові фізичні величини можуть відрізнятися кількісним вмістом, який далі називатимемо розміром. Розмір ФВ існує об’єктивно, незалежно від того, що ми про нього знаємо.
ФВ поділяють на екстенсивні та інтенсивні.
Екстенсивні ФВ при поділі об’єкта змінюють свої розміри і є адитивними, тобто до них може бути застосована операція додавання.
Приклад екстенсивних ФВ: маса, довжина, площа, енергія.
Інтенсивна ФВ характеризує стан фізичного об’єкта і при його поділі зберігає свій розмір. Інтенсивні ФВ не адитивні.
Приклад інтенсивних ФВ: густина, температура, питомий електричний опір.
За характером прояву ФВ поділяються на енергетичні (активні), які здатні самі проявляти свій розмір і параметричні (пасивні).
Приклад енергетичних ФВ: напруга, температура, сила.
Приклад параметричних ФВ: електричний опір, ємність, індуктивність.
Розрізняють скалярні і векторні величини.
Скалярні ФВ - відповідно поділяються на неполярні, що мають тільки розмір (маса, об'єм), і полярні, які мають ще й знак (заряд, напруга).
Векторні ФВ (сила, переміщення, швидкість) крім розміру мають ще і напрям.
За зміною розміру ФВ поділяють на неперервні та дискретні.
Неперервні ФВ утворюють незлічену множину (контініум) розмірів. Дискретні ФВ змінюють свій розмір стрибкоподібно, набуваючи певних значень.
1.2.2.Одиниці вимірювань фізичних величин. Для визначення розміру Х фізичної величини, спочатку виберемо ще один певний розмір цієї величини Х0 і порівняємо з ним розмір Х через відношення
,
де М – істинне числове значення ФВ (істинний розмір).
Якщо Х=Х0 то М=1. Тоді Х0 - одиниця даної фізичної величини, а добуток 
- істинне значення ФВ тотожне її одиниці.
Розмір одиниці ФВ може бути вибраним довільно, але для порівняння результатів вимірювань в різних одиницях треба знати співвідношення між розмірами цих одиниць.
Приклад: 1верста=1,06680 км, 1 ярд=0,9144 м.
Усі попередні міркування теоретичні. Через неминучість похибок вимірювання не можна знайти істинне значення величини і тому замість числа М знаходимо наближене його значення яке назвемо дійсним числовим значенням і позначимо як Nд. Значення ФВ настільки близьке до істинного, що його можна використати замість нього називається дійсним значенням Хд
.
У природі фізичні величини пов’язані між собою залежностями, що виражають фізичні закони.
Сукупність величин, серед яких одні умовно прийняті як незалежні, а інші виражаються через них, називаються системою величин.
Незалежні величини системи називаються основними, а всі інші похідними.
Відповідно одиниця основної величини називається основною одиницею, а похідної – похідною одиницею.
Сукупність основних і похідних одиниць певної системи величин становить систему одиниць.
Хоч вибір основних одиниць теоретично вважається довільним, все ж таки він диктується такими практичними вимогами:
а) кількість основних величин має бути невеликою;
б) за основні мають бути вибрані величини, одиниці яких легко відтворити з високою точністю;
в) розміри основних одиниць мають бути такими, щоб на практиці значення всіх величин системи не виражались ні надто малими, ні надто великими числами;
г) похідні одиниці повинні бути когерентними, тобто входити у рівняння з коефіцієнтом 1.
Розмірність (dimention) основних величин системи вказує на зв’язок основних величин з похідними. Прикладом позначення основних величин є: L – довжина (length); M – маса (mass); Т – час (time).
Розмірність похідної величини Х має вигляд
,
де α,β,γ – показники розмірності.
Одиниці системи, які не належать до основних і до похідних, називаються додатковими одиницями.
Одиниці, що не входять ні в одну з систем називаються позасистемними одиницями. Приклад: 1літр, 1 кал, 1 рентген.
Позасистемні одиниці, що визначаються з відношення двох значень величин називаються логарифмічними наприклад:
1Нп= 
при 
; 1дБ=0,1Б= 
при 
=1,122
Одиниця, що в ціле число разів більша від системної, або позасистемної називається кратною.
Приклад: 1км=1000м; 1 хв=60 с.
Одиниця, що в ціле число разів менша від системної, або позасистемної називається частковою.
Приклад: 1міліметр=1. 10-3 м; 1мкс=1. 10-6 с; 1мілілітр=1. 10-3 літра.
У 1832 р. Гаус запропонував систему величин LMT, що відображають найзагальнішу властивість матерії - масу і основні форми існування – простір і час. В зв'язку з цим цю систему і подібні до неї називали абсолютними. Одиницями системи Гауса були міліметр, міліграм і секунда, які незручні для практики. Тому в 1881 р. Міжнародний конгрес електриків (МКЕ) прийняв систему одиниць СГС з основними одиницями - сантиметр, грам, секунда. Вона була доповнена такими різновидами, як електростатична СГСЕ та електромагнітна СГСМ. Цей самий конгрес прийняв практичні електричні одиниці - см, вольт, ампер і фарад, а в 1889 р. II МКЕ - джоуль, ват і генрі.
В 1901 р. італійський інженер Джорджі запропонував систему МКС з основними одиницями - метр, кілограм, секунда. На її основі можна побудувати когерентну і практичну систему механічних одиниць. Три основні одиниці були доповнені четвертою – ампером і виникла когерентна практична система електромагнітних одиниць МКСА, а згодом система теплових одиниць МКСК з четвертою основною одиницею - кельвіном і система світлових одиниць МСК - метр, секунда, кандела. Всі ці системи когерентні і на їх основі побудована Міжнародна система одиниць SІ.
1.2.3.Міжнародна система одиниць СІ. У 1960 році ХІ Генеральна конференція з мір та ваг прийняла Міжнародну систему одиниць - СІ (System International – SI). Всім практичним вимогам відповідають 7 основних одиниць СІ, якими є: метр, кілограм, секунда, ампер, кельвін, кандела, моль. Додатковими одиницями СІ є радіан та стерадіан. Назви ФВ, їх розмірність, назви одиниць ФВ, та їх позначення подано у таблиці 1.
Таблиця 1.1.
Основні і додаткові одиниці SI
| Назва величини | Розмірність | Назва одиниці | Позначення одиниці | ||
| міжнародне | українське | ||||
| ОСНОВНІ ОДИНИЦІ | |||||
| Довжина | L | Метр | m | м | |
| Маса | M | Кілограм | kg | кг | |
| Час | T | Секунда | s | с | |
| Сила електричного струму | I | Ампер | A | А | |
| Термодинамічна температура | Q | Кельвін | K | К | |
| Кількість речовини | N | Моль | mol | моль | |
| Сила світла | J | Кандела | cd | кд | |
| ДОДАТКОВІ ОДИНИЦІ | |||||
| Плоский кут | - | Радіан | rad | рад | |
| Тілесний кут | - | Стерадіан | sr | ср | |
Cьома основна одиниця - моль була затверджена ХІV ГКМВ у 1971 р.
Метр є довжина шляху, який проходить світло у вакуумі за проміжок часу що дорівнює 1/299792458 секунди (ХVIІ ГКМВ. 1983 р.).
Кілограм дорівнює масі міжнародного прототипу кілограма (І ГКМВ, 1889 р.; ІІІ ГКМВ, 1901 р.)
Секунда дорівнює 9І9263І770 періодам випромінювання, яке відповідає переходові між двома надтонкими рівнями основного стану атома цезію-133 (ХIII ГКМВ, 1967 р.).
Ампер дорівнює силі незмінного струму, який при проходженні по двох паралельних прямолінійних проводах нескінченної довжини і знехтовно малої площі поперечного перерізу, розміщених на відстані 1 м один від одного у вакуумі, викликав би на кожній ділянці проводу довжини 1 м силу взаємодії 2*10-7 Н (IX ГКМВ, 1948 р.).
Кельвін дорівнює 1/273,16 частині термодинамічної температури потрійної точки води (ХІІІ ГКМВ, І967 р.).
Моль дорівнює кількості речовини системи, яка вміщує стільки ж структурних елементів, скільки міститься атомів у вуглеці-12 масою 0,012 кг. При застосуванні моля структурні елементи мають бути специфіковані і можуть бути атомами, молекулами, іонами, електронами та іншими частинками або специфікованими групами частинок (ХІV ГКМВ, 1971 р.).
Кандела дорівнює силі світла в заданому напрямі джерела, що випускає монохроматичне випромінювання частотою 540*1012 Гц, енергетична сила світла якого в цьому напрямі становить 1/683 Вт/ср (ХVІ ГКМВ, 1979 р.).
Радіан дорівнює куту між двома радіусами кола, дуга між якими дорівнює радіусу.
Стерадіан дорівнює тілесному куту з вершиною в центрі сфери, який вирізає на поверхні сфери площу, що дорівнює площі квадрата зі стороною, яка дорівнює радіусу сфери.
Система одиниць SI - практична, когерентна, раціоналізована.
ЛЕКЦІЯ 3
Тема: Види вимірювань. Прямі та непрямі вимірювання. Методи вимірювань. Компенсаційний, нульовий та диференційний методи вимірювання. Методи заміщення та збігання.
1.3.1.Види вимірювань. ДСТУ 2681-94 “Метрологія. Терміни і визначення” дає таке визначення терміну: вимірювання це відображення значень вимірюваних величин шляхом експерименту та обчислень за допомогою спеціальних технічних засобів. ГОСТі 16263-70 містить таке лаконічне означення терміну: вимірювання - знаходження значень ФВ дослідним шляхом з допомогою спеціальних технічних засобів.
Для того, щоб виконати вимірювання необхідно:
· мати спеціальних технічний засіб;
· виконати вимірювальний експеримент;
· знайти числове значення шляхом порівняння розміру ФВ з одиничним розміром.
1.3.2.Прямі та непрямі вимірювання. Якщо під час вимірювання дві станні операції важко розмежувати, то такий вид вимірювань називають прямими. Крім прямих є непрямі вимірювання.
Пряме вимірювання це вимірювання однієї величини значення якої знаходять безпосередньо за показом засобу вимірювань.
Прямим вимірюванням може бути вимірювання довжини лінійкою, швидкості – спідометром.
Непрямі вимірювання здійснюють шляхом обчислення вимірюваної величини за відомими залежностями від кількох аргументів.
Непрямі вимірювання можуть бути опосередкованими, сукупними або сумісними.
При опосередкованих вимірюваннях значення однієї величини визначають за результатами вимірювань інших величин, зв’язаних з нею явною функціональною залежністю. Опосередковані вимірювання проводять тоді, коли можна отримати вищу точність ніж прямими або прямі вимірювання важко виконати. Наприклад значення опору знаходять за результатами прямих вимірювань напруги та струму, значення висоти об’єкту за кутом та відстанню до нього.
При сукупних вимірюваннях значення однорідних величин отримують роз’язанням системи рівнянь, що об’єднують різні сполучення цих величин, виміряних прямо або опосередковано.
Наприклад визначення струмів у гілках розгалуженого електричного кола.
При сумісних вимірюваннях значення різноднорідних величин отримують роз’язанням рівнянь, що функціонально пов’язують їх з іншими величинами, виміряними прямо або опосередковано.
Приклад: вимірювання тиску газа у балоні шляхом вимірювання його температури.
1.3.3. Методи вимірювань. Під методом вимірювання розуміють спосіб використання засобу вимірювання та принцип вимірювання для створення вимірювальної інформації.
Під принципом вимірювання розуміють фізичні закони та явища на яких основане вимірювання.
Приклад: вимірювання відстані рулеткою та звуковим імпульсом.
Створення вимірювальної інформації полягає у порівнянні міри (одиниці ФВ) з її невідомим значенням.
Є кілька методів порівняння. До них належать метод зіставлення, нульовий або метод зрівноваження та диференційний.
Метод зіставлення це порівняння вимірюваної величини з найближчим значенням багатозначної міри.
Приклад: Вимірювання довжини багатозначною лінійкою.
Нульовий метод або метод зрівноваження полягає у зрівноваженні вимірюваної величини регульованою мірою.
Приклад: вага з нульовим показом, зрівноважена гирею; вимірювання напруги за допомогою компенсатора.
Диференційний метод (різницевий). При цьому методі незрівноважена різниця вимірюється додатковим засобом вимірювання.
Приклад: вага з показом, зрівноважена гирею.
Метод заміщення полягає у запам’ятовуванні дії вимірюваної величини на засіб вимірювання та заміщенням цієї дії багатозначною мірою.
Приклад: вага без поділок, а невідому та відому ваги кладуть по черзі на одну шальку.
Метод збігання (ноніусний метод) використовують у штангенциркулі (рис. 1.1). На основну лінійку наносять поділки на відстані 1 мм. На пересувній лінійці розміщено допіміжну шкалу – ноніус. Відстань між поділками ноніуса залежить від точності штангенциркуля. Якщо вимірювання виконують з точністю до 0,1 мм, то ноніус матиме 10 поділок на відстані 1,9 мм, якщо вимірювання з точністю 0,05 мм, то на ноніусі повинно бути 20 поділок на відстані 1,95 мм. Коли губки штангенциркуля зсунуто так що вони торкаються, то перша поділка нерухомої шкали збігається з першою поділкою ноніуса.
 |
Рис. 1.1. Ноніусний метод вимірювання.
Якщо відстань між поділками ноніуса 1,9 мм, то друга поділка ноніуса буде зміщена відносно найближчої від неї поділки нерухомої шкали на 0,1 мм, третя поділка ноніуса буде зміщена відносно найближчої поділки нерухомої шкали на 0,2 мм, четверта – на 0,3 мм. Коли нам треба зміряти деталь товщиною 0,3 мм, то шкала ноніуса зміститься на 0,3 мм вправо і четверта поділка ноніуса стане проти поділки на міліметровій шкалі. Це буде свідчити про те що деталь має товщину 0,3 мм.
ЛЕКЦІЯ 4
Тема. Класифікація засобів вимірювання та їх структурні схеми. Принципи дії засобів вимірювання прямого перетворення, із зрівноваженням та комбінованого перетворення. Інформаційно-вимірювальні системи.
1.4.1Класифікація засобів вимірювання та їх структурні схеми.
Засобами вимірювальної техніки (ЗВТ) називають технічні засоби, які застосовуються під час вимірювань і мають нормовані метрологічні характеристики (МХ).
Метрологічні характеристики - характеристики засобів вимірювань, що нормуються для визначення результату вимірювання та його похибок.
До засобів вимірювальної техніки відносяться засоби вимірювань (ЗВ) та вимірювальні пристрої.
Засіб вимірювань – засіб вимірювальної техніки, який реалізує процедуру вимірювань. До засобів вимірювань належать кодові засоби вимірювань, реєструючі засоби вимірювань, вимірювальні прилади та вимірювальні системи.
Вимірювальний пристрій (ВП) - ЗВТ, в якому виконується лише одна зі складових частин процедури вимірювань (вимірювальна операція). ВП це міри, набори і магазини мір, компаратори, вимірювальні перетворювачі (давачі, сенсори), масштабні перетворювачі та обчислювальні компоненти.
Міра - ВП, що реалізує відтворення та (або) збереження ФВ заданого розміру (однозначна міра) або ряду розмірів (багатозначна міра). Набір мір - спеціально підібраний комплект конструктивно відокремлених мір, які можуть використовуватися не тільки окремо, але й в різних комбінаціях для відтворення ряду розмірів даної ФВ (наприклад, набір гир, вимірювальних резисторів, конденсаторів). Набір мір, конструктивно об'єднаних в одне ціле з пристроєм для вмикання їх у різних комбінаціях, називається магазином мір. Наприклад, магазин опору, індуктивності, ємності.
Компаратор це вимірювальний пристрій, що реалізує порівняння ФВ.
Вимірювальний перетворювач - ВП, що реалізує вимірювальне перетворення вхідного вимірювального сигналу на вихідний сигнал, зручний для дальшого перетворення, обробки, зберігання чи передавання вимірювальної інформації, але не для безпосереднього сприймання спостерігачем. Наприклад, калібрований шунт, вимірювальний трансформатор, атестована термопара. Первинний вимірювальний перетворювач (сенсор) перший взаємодіє з об'єктом вимірювань.
Вимірювальний прилад - 3В, в якому створюється візуальний сигнал вимірювальної інформації, який придатний для безпосереднього сприймання спостерігачем завдяки наявності відлікового пристрою (шакала з вказівником, цифрове табло), наприклад, вольтметр, ватметр, термометр.
Вимірювальний канал (ВК) це сукупність ЗВТ, засобів зв’язку та інших технічних засобів, що призначена для створення вимірювальної інформації про одну вимірювану величину.
Вимірювальна система (ВС)- сукупність вимірювальних каналів (3В і засобів зв'язку, для створення сигналу про одну ФВ), вимірювальних пристроїв та інших технічних засобів об'єднаних для створення сигналів вимірювальної інформації про декілька вимірюваних ФВ. Найчастіше ВС призначена для вироблення сигналів у формі, придатній для автоматичної обробки, передачі і (або) використання вимірювальної інформації в автоматизованих системах управління.
Вимірювальні системи можна вважати різновидом вимірювальних інформаційних систем (ВІС), до яких належать також системи автоматичного контролю, системи технічної діагностики і системи розпізнавання образів. ВІС також входять до окладу автоматизованих систем управління. Отже, ВІС це сукупність ЗВТ, засобів контролю, діагностики та інших технічних засобів для створення сигналів вимірювальної та інших видів інформації. Незалежно від виду інформації, що формується будь-якою ВІС основним елементом її є ЗВТ.
1.4.2.Принципи дії засобів вимірювання прямого перетворення, із зрівноваженням та комбінованого перетворення. Структурною називається така схема, в якій відображено зв’язки між основними структуртурними елементами засобу вимірювальної техніки. Структурна схема ЗВТ визначає способи перетворення вимірювальної інформації. Є три основних способи перетворення інформації: пряме, зрівноважувальне та комбіноване.
Зрівноважувальне перетворення може бути слідкувальним статичним, слідкувальним астатичним, та розгортальним.
Пряме перетворення характерне тим, що передача вимірювальної інформації здійснюється в одному напрямку від виходу до входу без зворотних зв’язків між елементами ЗВТ. Перед тим, як розглядати структурну схему прямого перетворення доцільно звернути увагу на елементи, які стоять у ній першими, а саме первинний перетворювач, та чутливий елемент. Іноді ці поняття утотожнюють, що приводить до непорозумінь. Уточнимо ці поняття на прикладі.
Першим у схемі прямого перетворення встановлено перетворювач напруга-частота. Його вихідним інформативним параметром є частота, а вхідним зміна ємності. Ємність змінюється під дією сили на обкладки конденсатора.
З такою вхідною вимірюваною величиною, як сила у перетворювачі відбувається подвійне перетворення. Спочатку вона перетворюється у зміну ємності, яка у свою чергу впливає на зміну частоти. Таким чином первинним у схемі є перетворювач напруга-частота, а його чутливим елементом є конденсатор.
Функціональна схема прямого перетворення зображено на рис. 1.2.
Рис. 1.2. Функціональна схема прямого перетворення.
Якщо K1, K2, … Kn – лінійні то 
- загальний коефіцієнт передачі ЗВТ. Його похибка спричинена неточністю кожного з елементів буде дорівнювати
=
= 
.
У скінчених приростах
Відносна похибка дорівнюватиме сумі відносних похибок кожного з елементів
.
Зрівноважувальне слідкувальне статичне перетворення. При такому перетворенні (рис. 1.3) вхідна величина Х зрівноважується компенсувальною величиною
,
де Y – вихідна величина,
β – коефіцієнт передачі елемента зворотного зв’язку
,
де k – коефіцієнт передачі підсилювача.
або
або
якщо 
то 
Коефіцієнт перетворення схеми дорівнюватиме
 |
Рис. 1.3. Структурна схема статичного перетворення.
Оскільки
,
а
,
то похибку коефіцієнта перетворення К спричинена неточністю коефіцієнтів передачі k та β можна визначити через повний диференціал
.
Враховуючи те, що 
помножимо доданки цієї суми на 1/K пам’ятаючи, що 
. В другому доданку чисельник і знаменник помножимо на β. Зробимо відповідні скорочення, відносна похибка коефіцієнта перетворення буде дорівнювати
,
оскільки k β>>1, а 
, 
.
Астатичне зрівноважувальне перетворення відрізняється від статичного наявністю інтегратора (рис. 1.4)
 |
Рис. 1.4. Структурна схема астатичного перетворення.
Завдяки цьому по закінченні зрівноваження, коли 
, Y досягає свого усталеного значення (рис.1.4,б), а значення вимірюваної величини може дорівнювати 
.
При розгортальному зрівноваженні (рис. 1.5,а) компенсувальна напруга генерується джерелом компенсувальної напруги (ДКН) до моменту, коли 
. Це означає, що X=Xk. Після цього пристрій порівняння через мультиплексор передає сигнал Xk на вихід, скидає напругу ДКН до 0 (рис. 1.5,б) і цикл вимірювання знову повторюється.
 |
Рис. 5. Структурна схема розгортального перетворення.
Перавагою зрівноважувального перетворення над прямим є те, що вони не створюють додаткових похибок, оскільки засоби з таким перетворенням забирають мало енергії у об’єкта дослідження. Тому їх доцільно використовува при дослідженні об’єктів з малопотужним вихідним сигналом.
Коли від’ємним зворотним зв’язком охоплена тільки частина кола прямого перетворення, то таке перетворення називають комбінованим.
1.4.3.Інформаційно-вимірювальні системи. На рис. 1.6 зображено структуру вимірювальної інформаційної системи (ВІС).
 |
Рис. 1.6. Структурна схема ВІС:
1 – вимірювальна частина ВІС
2 – пристрій математичного опрацювання інформації
3 – пристрій зберігання та передачі інформації
4 – пристрій відображення інформації
5 – пристрій автоматичного керування ВІС
До складу ВІС крім засобів вимірювальної техніки можуть входити засоби контролю, технічного діагностування, розпізнавання образів.
До вимірювальної частини можуть входити первинні перетворювачі, комутатори, міри, компоратори, АЦП.
ЛЕКЦІЯ 5
Тема: Характеристики засобів вимірювання. Статичні характеристики засобів вимірювання. Динамічні характеристики засобів вимірювання. Нормальні та робочі умови експлуатації вимірювальних пристроїв.
Дата добавления: 2019-02-13; просмотров: 582; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!