ОСНОВЫ МЕТРОЛОГИИ И ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

· точность измерений.

Рис.1.2 Компоненты метрологии

Измерением называют процесс нахождения значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Такие технические средства называют средствами измерений или мерами.

Физическая величина

Физическая величина (ФВ) — это свойство, в качественном отношении общее для многих физических объектов, но в количественном отношении — индивидуальное для каждого объекта. Многообразие ФВ может быть классифицировано по множеству различных признаков. Все ФВ подразделяются на две группы: неэлектрические и электрические величины. Неэлектрических величин гораздо больше, чем электрических. Это, например, длина, объем, масса, сила, давление, скорость линейного движения или вращения, расход вещества, температура, относительная влажность, освещенность и множество других. К электрическим ФВ относятся, например, электрический заряд, ток, напряжение, электрические сопротивление и емкость, проводимость, активная и реактивная мощности, электрическая энергия и др.

ЗначениеФВ — это количественная оценка ФВ в виде конкретного числа принятых для этой величины единиц. Например, значение тока в электрической цепи I = 10,2 А.

Виды средств измерений

Средство измерений (СИ) — техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические характеристики. В соответствие с РМГ 29-99. ГСИ. «Метрология. Основные термины и определения» средства измерения подразделяются на пять видов: меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки, измерительные системы.

Мера — это средство измерения, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера. Например, нормальный гальванический элемент — мера ЭДС; образцовый (измерительный) резистор; образцовая катушка индуктивности и т.д.

Измерительный преобразователь — это устройство, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для дальнейшего преобразования, передачи, обработки, хранения, но не предназначенной для непосредственного восприятия наблюдателем. Например: измерительные трансформаторы тока и напряжения, измерительные усилители, делители напряжения, шунты, добавочные резисторы, цифровые измерительные регистраторы (логгеры) и т. п. Измерительный преобразователь не имеет отсчетного устройства, и поэтому результат преобразования не может быть непосредственно воспринят человеком.

Измерительный прибор — этоустройство, предназначенное для представления измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем, т.е. имеющее отсчетное устройство или индикатор. Например: электромагнитный щитовой вольтметр, самопишущий прибор, осциллограф, цифровой мультиметр, инфракрасный термометр, манометр и др. Это наиболее распространенный вид измерительного устройства.

Измерительная установка — совокупность функционально объединенных устройств, рассмотренных выше, и вспомогательных устройств, предназначенных для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем, и расположенная в одном месте. Например: лабораторная установка для исследования характеристик электродвигателей, стенд для поверки электрических счетчиков и т. п.

Измерительная система — совокупность СИ и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенная для представления измерительной информации в форме, удобной при дальнейшей автоматической обработке, передаче и (или) использовании в автоматических системах управления.

Нормируемые метрологические характеристики (НМХ) СИ регламентируются ГОСТ 8.009—84 «Нормируемые метрологические характеристики средств измерений». К основным НМХ относятся, например, погрешности СИ, номинальная функция преобразования или коэффициент преобразования измерительного преобразователя, чувствительность, диапазон измерений, входное сопротивление.

Виды и методы измерений

Получать значения ФВ (результаты измерений) можно различными способами. В практике электрических измерений применяются разнообразные виды и методы измерений. В основном используются следующие виды измерений:

· прямые,

· косвенные,

Прямые измерения — измерения, при которых искомое значение измеряемой величины находят непосредственно из опытных данных. Пример прямого измерения — измерение действующего значения напряжения электрической сети с помощью цифрового мультиметра (рис.1.3а).

 Рис. 1.3 Прямое и косвенное измерения

Косвенные измерения — измерения, при которых искомое значение величины находят на основании известной функциональной зависимости между этой величиной и исходными величинами, оцениваемыми прямыми измерениями. Пример косвенного измерения — измерение мощности Р на акцизной нагрузке R с помощью амперметра А и вольтметра (рис. 1.3б).

Р=U*I,

где U — напряжение на нагрузке R, измеренное вольтметром; I — ток в нагрузке, измеренный амперметром. Совокупность приемов использования физических принципов и средств измерений называют методом измерений.

При измерениях различают метод непосредственной оценки и метод сравнения с мерой(рис.1.4).

Рис.1.4. Методы измерений

В методе непосредственной оценки значение измеряемой величины определяется прямо (непосредственно) по отсчетному устройству измерительного прибора. Например, измерение температуры цифровым термометром.

Метод сравнения с мерой основан на сравнении измеряемой величины с мерой. Процедура сравнения может быть выполнена по-разному. Это может быть одновременное или разновременное сравнение величины с мерой (см. рис. 1.3). В свою очередь, метод одновременного сравнения подразделяется на дифференциальный и нулевой.

 При одновременном сравнении могут реализовываться дифференциальный или нулевой метод.

В дифференциальном методе измеритель (например, вольтметр V) оценивает разность между измеряемой величиной ЭДС E_x и известной величиной E_0, воспроизводимой мерой.

В нулевом методе разница между измеряемой E_xи известной E₀величинами доводится до нуля с помощью изменения известной величины E₀.

Факт достижения равенства E_x = E₀ определяется показаниями нулевого индикатора (НИ). Типичный пример реализации нулевого метода — измерение сопротивления уравновешиваемым мостом постоянного тока.

В методе разновременного сравнения сравнение измеряемой величиной E_x и изменяемой известной E₀ происходит в режиме поочередного измерения. Если показания измерителя (например, вольтметра) при измерении величины E_xравны V₁, то, подключив известную E₀ и изменяя ее значение до достижения равенства результатов второго и первого измерений (V₂ = V₁), получим равенство E_x = E₀.

ЕДИНСТВО ИЗМЕРЕНИЙ

Под единством измерений понимают такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности результатов измерений учтены с известной или заданной вероятностью. Единство измерений позволяет сопоставлять результаты измерений, выполненные в разных местах, в разное время, разными специалистами, с помощью разных средств измерений.

Единство измерений обеспечивается:

· использованием общепринятой системы единиц физических величин,

· стандартизацией,

· метрологическим обеспечением,

· эталонами и образцовыми средствами измерений,

· соответствующей нормативно-технической документацией.

Единицы физических величин

Единица физической величины — это значение величины, размер которой принимается за единицу (кГ, метр, секунда, ампер и т.п.).

В нашей стране, как и в большинстве других стран, действует Международная система единиц (System International — SI). Система основана на выборе нескольких основных единиц физических величин, независимых и достаточных для образования других (производных) единиц физических величин.

Основные, дополнительные и производные единицы физических величин. В соответствии с ГОСТ 8.417—81 ГСИ «Единицы физических величин» все единицы физических величин подразделяются на основные (их семь), дополнительные (их две) и производные (около 200 и их число растет). В табл. 1.1 приведены основные и дополнительные единицы физических величин.

Таблица 1.1. Основные и дополнительные единицы физических величин

Отметим, что конкретный размер основной единицы физической величины не имеет значения. Например, в качестве основной единицы длины мог бы выступать не метр, а фут или аршин. Главное, чтобы единица физической величины была общепринята, узаконена и выступала основой при формировании производных единиц.

В принципе, выбор основных единиц произволен, и можно было бы каждую физическую величину характеризовать своей собственной (основной) единицей. Например, на парусном флоте скорость движения корабля измерялась узлами.

Однако увеличение числа основных единиц приводит к практическим неудобствам: затрудняется их запоминание, появляются многочисленные постоянные коэффициенты в формулах, усложняются вычисления, увеличивается работа по созданию и хранению эталонов.

Уменьшение числа основных единиц до одной или до нуля так же практически неудобно, так как затрудняется процесс построения производных единиц и усложняется анализ размерностей для членов выражений, характеризующих физические явления.

Теоретически в качестве основных можно выбрать единицы любых физических величин, например единицу ускорения движущегося тела или единицу потенциала электрического поля. Однако выбор основных единиц существенно ограничен требованиями практики.

Основная единица должна обеспечивать удобство измерений и относительную простоту ее воспроизводства в разных странах. Изготовление и хранение эталонов, единицы физической величины не должно приводить к чрезмерным материальным затратам. Желательно так же, чтобы основные единицы были связаны с фундаментальными физическими величинами, например с такими, как протяженность, время, количество вещества.

В СИ в качестве основных единиц электрических и магнитных величин приняты следующие четыре единицы: единица длины — метр (м), единица времени — секунда (с), единица массы — килограмм (кг) и единица силы тока — ампер (А).

Метр, секунда и килограмм были введены во Франции по предложению специальной комиссии в 1799 г. Эти единицы были связаны с фундаментальными природными объектами и процессами. Метр определялся как сорокамиллионная доля земного меридиана, секунда — как 1/86400 средних солнечных суток и килограмм — как масса кубического дециметра воды при 4° С. Были изготовлены прототипы метра и килограмма в виде линейки и гири из сплавов, наиболее устойчивых к внешним воздействиям металлов.

Развитие техники позволило зафиксировать размер метра и секундный интервал времени с предельной для наших дней точностью при помощи атомных эталонов. В настоящее время приняты следующие определения основных единиц электрических и магнитных величин, входящих в СИ:

метр (м) — длина, равная 16507763,73 длины волн в вакууме излучения атома криптона-86, соответствующего переходу между уровнями 2р₁₀ и 5d₅;

килограмм (кг) — масса международного прототипа килограмма, который хранится в Национальном архиве Франции;

секунда (с) — продолжительность 9192631770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133;

ампер (А) — сила тока, при котором на каждый метр длины двух параллельных прямолинейных круглых проводников, расположенных в 1 м один от другого, приходится механическая сила 2-10^-7 Н. При этом оговаривается, что проводники имеют бесконечную длину и ничтожно малую площадь сечения.

Используя выбранные основные единицы, можно определить производные единицы других электрических и магнитных величин. Производные единицы физических величин образуются из основных, дополнительных и других производных путем разнообразных функциональных преобразований.

Для этого нужно подобрать по возможности простое математическое выражение, связывающее одну физическую величину с несколькими или всеми основными величинами.

Например, по определению, dq = idt, где q — электрический заряд; i — сила тока; t — время. Вспоминая, что сила тока выражается в амперах, а время — в секундах, устанавливаем, что единицей электрического заряда служит произведение ампера на секунду. Эту единицу называют кулоном: [Кл]=[А]•[с].

Производная единица «ом» образована отношением производной единицы вольт к основной единице ампер.

Одна из важнейший электрических величин — напряжение. Напряжение выражается в вольтах (В). И хотя вольт — производная единица, через нее довольно часто выражают другие производные единицы; так, единица полной мощности — вольт-ампер (В-А), единица напряженности электрического поля — вольт, деленный на метр (В/м) и т. д.

Чтобы выразить единицу напряжения через основные единицы, вспомним, что электрическое напряжение равно работе сил электрического поля при переносе точечного тела с зарядом 1 Кл из одной точки поля в другую: U = A/Q, где U — напряжение; А — работа; Q — заряд.

Формирование некоторых производных единиц физических величин показано на рис. 5.

Рис. 1.5. Взаимосвязь основных, дополнительных и производных единиц

Относительные и логарифмические единицы. Для оценки отношения или относительного изменения физических величин удобно использовать вспомогательные единицы: относительные и логарифмические. Относительные единицы приведены ниже в табл. 1.2.

Таблица 1.2 Относительные единицы

Кратные и дольные единицы. Поскольку диапазоны значений измеряемых величин сегодня очень широки, то невозможно обойтись только исходными системными (основными, дополнительными и производными) единицами физических величин. Для удобства работы и записи результатов используются вспомогательные единицы физических величин — так называемые кратные (большие единицы) и дольные (меньшие единицы), которые образованы путем введения приставок (коэффициентов) к исходным системным единицам.

Таким образом, ножитель может быть как больше, так и меньше единицы. Этим множителям присвоены специальные наименования: 10^-12 — пико (п), 10^-9 — нано (н), 10^-6 — микро (мк), 10^-3 — милли (м), 10³ — кило (к), 10⁶ — мега (М), 10⁹ — гига (Г), 10¹² — тера (Т). Например, запись 10 нф означает, что речь идет о десяти миллиардных долях фарада.

Стандартизация

Несколько десятилетий назад в мире не было единообразия единиц физических величин. В разных странах, в разных отраслях науки, техники, промышленного производства, в сельском хозяйстве, в торговле использовалось множество различных единиц для оценки одних и тех же величин. Такое национальное (территориальное), отраслевое и межотраслевое разнообразие единиц сильно затрудняло сопоставление и использование результатов научных исследований, технических измерений и расчетов, выполненных разными специалистами, и в разных направлениях, или в разных странах; создавало чрезвычайные трудности и серьезно тормозило развитие мирового сообщества.

В середине XX в. Международный комитет мер и весов подготовил и принял новую систему единиц, которая была названа Международной системой единиц — System International (SI). В 1963 г. в СССР был введен ГОСТ 9867-61, в соответствии с которым эта система была рекомендована для использования в нашей стране.

Сегодня средства измерений разрабатывают и серийно выпускают тысячи различных отечественных и зарубежных организаций и фирм, профессионально применяют миллионы специалистов, так или иначе использует в своей повседневной деятельности практически все взрослое население Земли. В настоящее время доля затрат на измерительную технику, обслуживание и метрологическое обеспечение в промышленном производстве достигает 25...30% стоимости основных фондов. Причем, чем выше культура производства на предприятии, тем выше доля таких затрат. В этих условиях чрезвычайно важно обеспечить единство измерений.

Законодательной основой стандартизации является система Государственных стандартов (ГОСТ). В настоящее время в нашей стране действует десятки тысяч Государственных стандартов. Они отражают важнейшие характеристики и свойства разнообразной продукции, особенности методик измерений, характеристики СИ и т.п.

Основные цели и задачи стандартизации:

• определение единой системы требований и показателей качества продукции, характеристик сырья и ресурсов; методов и средств контроля и испытаний;

• обеспечение единства и необходимой достоверности измерений в стране и мире, создание и совершенствование эталонов единиц ФВ, методов и средств измерений высшей точности;

• развитие унификации промышленной продукции, повышение уровня взаимозаменяемости, повышение эффективности эксплуатации и ремонта, обеспечение необходимого уровня на­дежности;

• установление рационального многообразия видов, марок, типоразмеров оборудования;

• установление единой системы документации, единой терминологии, обозначений, методов расчетов.

Стандарт — это нормативно-технический документ, устанавливающий перечень норм, правил, требований к объекту (стандартизации) и утвержденный уполномоченным органом (например, Госстандартом России). Обозначения ГОСТ поясняет следующая схема.

Метрологическая аттестация — это исследование средств измерения, выполняемое метрологическим органом для определения их метрологических характеристик с оформлением соответствующего документа (сертификата) в котором указываются полученные результаты.

Поверка средств измерений — определение метрологическим службой наличия погрешностей средств измерений, установление соответствия

значений погрешностей классу точности и определение пригодности измерительного средства к применению. Поверку, как правило, осуществляют путем сравнения результатов показаний испытуемого средства с результатами образцового (более точного) средства. Для частного, но весьма распространенного случая поверки измерительного прибора, показания поверяемого прибора сличают с показаниями более точного прибора. Погрешность образцового средства должна быть по крайней мере втрое меньше погрешности испытуемого средства при одних и тех же условиях эксперимента. Процедура поверки не эквивалентна процедуре калибровки.

Калибровка — способ уменьшения систематических погрешностей прибора перед измерениями, т.е. коррекция (исправление) его характеристики преобразования. В общем случае при калибровке поочередно подают на вход измерительного прибора образцовую измеряемую величину нулевого значения (например, закоротив вход), а затем образцовую измеряемую величину со значением, равным верхнему пределу диапазона измерения (с помощью специальной меры, иногда встроенной в измерительный прибор). Зафиксировав результаты преобразования (показания прибора) образцовых величин, можно в дальнейшем корректировать результаты преобразований в процессе выполнения измерений. Такая процедура позволяет уменьшить как аддитивную, так и мультипликативную погрешности.

Эталоны

Эталон — это официально утвержденное средство измерения, обеспечивающее хранение и/или воспроизведение единицы физической величины с целью передачи ее размера другим измерительным средствам (образцовым или рабочим). Реально эталон может представлять собой комплекс, состоящий из нескольких различных СИ. На рис. 1.6 приведена схема передачи размера единицы физической величины.

Международный эталон обладает наивысшей точностью. Эти эталоны хранятся в Международном бюро мер и весов (Франция).

Эталоны, воспроизводящие одну и ту же единицу физической величины, в зависимости от точности воспроизведения единицы, делятся на:

· первичные эталоны (обеспечивают наивысшую точность в данной стране);

· вторичные (получают сличением с первичным и служат для организации поверочных работ).

Рис. 1.6. Схема передачи размера единицы физической величины

Первичный эталонслужит для воспроизведения единицы с наивысшей для данной страны точностью. Специальный эталон предназначен для воспроизведения единицы в особых условиях, когда первичный эталон не может быть использован. Первичные и специальные эталоны называются государственными и являются исходными для каждой страны.

Хранение государственных эталонов — сложнейшая научно-техническая задача, поэтому они находятся в метрологических институтах.

Вторичные эталоны необходимы для обеспечения поверочных работ и сохранности первичных эталонов и делятся на эталоны-свидетели, эталоны-копии, эталоны сравнения и рабочие эталоны.

Эталоны-свидетели предназначены для поверки государствен­ного эталона и замены его в случае утраты. Эталоны-копии и эталоны сравнения используются для взаимного сличения. Рабочие эталоны необходимы для передачи размера единицы образцовым СИ высшей точности (например, образцовым мерам).

Образцовые СИ служат для поверки по ним рабочих мер, которые, в свою очередь, предназначены как для поверки СИ, так и для измерений в различных задачах. Классы точности образцовых мер достаточно высоки. Например, предельно допустимое значение относительной погрешности образцовой катушки сопротивления может составлять 0,0005 %.

Рабочие СИ применяются для разнообразных измерений, не связанных с поверкой. В электрических измерениях используются рабочие меры ЭДС, сопротивления, индуктивности, емкости и др.

Мы поможем в написании ваших работ!