Реферат Курсовая Конспект
Метрология, стандартизация и сертификация - Конспект Лекций, раздел Образование, Метрология, Стандартизация И Сертификация ...
|
Метрология, стандартизация и сертификация
Конспект лекций
Сергиенко М.П.
Содержание
Введение
Лекция 1.История метрологии.
Основы обеспечения единства измерений
Лекция 2. Единицы физических величин и их системы.
Эталоны. Передача размеров единиц физических величин
от эталонов рабочим СИТ. Поверочные схемы
Лекция 3. Эталоны основных единиц СИ
Лекция 4. Средства измерительной техники
Лекция 5.Метрологические характеристики СИТ
Лекция 6. Нормирование метрологических характеристик СИТ.
Метрологические операции
Лекция 7. Классификация измерений и методы измерений
Лекция 8. Теория погрешностей. Классификация погрешностей.
Случайные погрешности. Систематические погрешности.
Суммирование погрешностей
Лекция 9. Неопределенность измерений
Лекция 10. История и этапы развития стандартизации.
Международная стандартизация. Стандартизация в Украине
Лекция 11. Сертификация
Введение
Конспект лекций по курсу «Метрология и измерения» рассчитан на студентов неметрологических специальностей высших учебных заведений.
Курс включает 13 лекций (26 часов), 3 лабораторные работы (12 часов) и 2 практических занятия (4 часа). Форма оценивания – зачет с оценкой по 100–балльной системе.
Оценивание знаний студентов осуществляется следующим образом:
ü посещение лекций – 20 баллов;
ü выполнение и защита лабораторных работ – 60 баллов;
ü выполнение заданий практических занятий – 20 баллов.
Для более глубокого изучения дисциплины рекомендуется обращение к следующим источникам:
1. Теоретическая метрология. Учеб. пособие/ И.П. Захаров. – Харьков: ХТУРЭ, 2000. – 172 с.
2. Захаров И.П., Кукуш В.Д. Теория неопределенности в измерениях. Учеб. пособие. – Харьков: Консум, 2002. – 256 с.
3. Кукуш В.Д. Электрорадиоизмерения: Учеб. пособие для вузов. – М.: Радио и связь, 1985. – 386 с.
4. Елизаров А.С. Электрорадиоизмерения: Учебник. – Минск: Вышейш. шк., 1986. – 320 с.
5. Орнатский П.П. Автоматические измерения и приборы: Аналоговые и цифровые: Учебник для вузов. – К.: Вища шк., 1986. – 504 с.
6. Шишкин И.Ф. Основы метрологии, стандартизации и контроля качества: Учеб. Пособие. – М.: Изд-во стандартов, 1988. – 320 с.
7. Крылова Г.Д. Основы стандартизации, сертификации, метрологии: Учебник для вузов. – М.: ЮНИТИ–ДАНА, 2003. – 672 с.
Лекция 1
История метрологии.
Основы обеспечения единства измерений
Слово «метрология» произошло от двух греческих слов: «метрон» – мера и «логос» – учение, т.е. дословно – учение о мерах. В современном понимании метрология – это наука об измерениях, которая включает теоретические и практические аспекты во всех отраслях науки и техники.
Метрология не по названию, которое появилось сравнительно недавно, а по содержанию имеет все основания претендовать на место в перечне древнейших научных дисциплин. Человечество стало заниматься вопросами, которые сегодня относятся к задачам законодательной и прикладной метрологии, очень-очень давно. Эти вопросы стали актуальными еще тогда, когда начали формироваться первые цивилизации, первые государства, когда стала развиваться торговля, когда появилась необходимость выполнять достаточно большие коллективные работы (строительство ирригационных и оборонительных сооружений), вооружать однотипным оружием большие армии. Иными словами, когда появилась потребность в согласованных действиях людей, нередко удаленных друг от друга. Жизненно необходимой для любого государства была потребность определять размеры даней и налогов и контролировать их поступление в казну.
Для этого потребовались узаконенные методы измерений и общегосударственные меры, в первую очередь длины, объема и веса (массы). Потребовались и структуры, следящие за правильностью применения этих мер, за отсутствием всякого рода злоупотреблений.
Наука прошлых столетий и тысячелетий не знала разделения на узкие специальности. Не являлась исключением и метрология. Она развивалась в тесном контакте с астрономией, арифметикой, геометрией и другими подразделениями древней науки.
Наука прошлого, как правило, была описательной, она проходила период накопления фактов. Но во все времена были люди, понимающие важность обеспечения единства измерений, стремящиеся привнести в науку меру и число, и которые могли с полным правом за столетия и тысячелетия до Д.И. Менделеева сказать, что наука начинается тогда, когда начинают измерять. Именно эти люди, вольно или невольно, заложили фундамент современной метрологии.
Первого из них следует упомянуть Имхотепа – верховного советника фараона Джосера (2780 – 2760 гг. до нашей эры), который основал ІІІ династию египетских фараонов и впервые объединил в единое государство Верхний и Нижний Египет со столицей в Мемфисе. Имхотеп руководил строительством первой большой пирамиды, так называемой «ступенчатой пирамиды Джосера», заупокойного храма Джосера в Сакаре, своей собственной гробницы и многих других сооружений. Еще больше он прославился как врач – в VII веке до нашей эры (через две тысячи лет после смерти), он был включен как бог-целитель в число мемфисских божеств. Объединение двух царств потребовало от него введения единых мер во всем Египте. строительство пирамид и храмов, блоки для которых добывались в отдаленных каменоломнях, обрабатывались до окончательных размеров, а затем доставлялись к месту строительства, точнее сборки, требовало достаточно высокой культуры линейных измерений. Специальность врача – такой же культуры взвешивания при составлении лекарств (старинные рецепты содержат зачастую десятки составляющих).
Дальнейшие успехи метрологии связаны во многом с развитием астрономии. Ведение календарей, задачи мореплавания требовали выполнения точных измерений положения Солнца, Луны, планет и звезд, то есть разработки, по нынешней терминологии, методик выполнения измерений. Небо было и часами, и календарем, и компасом. Большую роль в развитии астрономии сыграли знаменитый греческий ученый Пифагор Самосский (570 – 500 гг. до нашей эры) и созданная им школа пифагорейцев.
Метрология как наука и область практической деятельности имеет древние корни. На протяжении развития человеческого общества измерения были основой взаимоотношений людей между собой, с окружающими предметами, природой. При этом вырабатывались определенные представления о размерах, формах, свойствах предметов и явлений, а также правила и способы их сопоставления. Раздробленность территорий и населяющих их народов обуславливала индивидуальность этих правил и способов. Поэтому появлялось множество единиц для измерения одних и тех же величин.
Наименования единиц и их размеров в давние времена давались чаще всего в соответствии с возможностью определения их без специальных устройств, т.е. ориентировались на те, что были «под руками и под ногами». В России в качестве единиц длины были пядь, локоть.
Первоначально под пядью понимали максимальное расстояние между концами вытянутых большого и указательного пальцев взрослого человека. Известна также, «большая пядь» – расстояние между кончиком большого и среднего пальцев. Кроме того, использовался, так называемый, «пядень с кувырком» («пядь с кутыркой») – пядь с прибавкой двух или трех суставов указательного пальца, то есть 5–6 вершков. С 1835 года приравнена к 7 английским дюймам (17,78 см):1 пядь = 1/12 сажени = 1/4 аршина = 4 вершка = 7 дюймов = ровно 17,78 см, а в дальнейшем пядь как мера длины постепенно вышла из употребления.
Одной из основных мер длины в России долгое время была сажень (упоминается в летописях начала Х в.). Размер ее также был не постоянен. Применялись: простая сажень, косая сажень, казенная сажень и др.
Сажень (или прямая сажень) первоначально была равна расстоянию от конца пальцев одной руки до конца пальцев другой. Само слово «сажень» происходит от глагола «сягать» (доставать до чего–либо, хватать, достигать – ср. также «досягать», «досягаемый»), который, в свою очередь, произошел от старославянского сѩгнѫти – «протягивать руку»). Косая сажень – расстояние от пальцев ноги до конца пальцев руки, вытянутой над головой по диагонали ≈ 248 см. Малая сажень – расстояние от поднятой на уровень плеча руки до пола ≈ 142,4 см
При Петре 1 по его Указу русские меры длины были согласованы с английскими мерами. Так одна сажень должна была равняться семи английским футам. В 1835 г. Николай 1 своим «Указом правительствующему Сенату» утвердил сажень в качестве основной меры длины в России. В соответствии с этим Указом за основную единицу массы был принят образцовый фунт, как кубический дюйм воды при температуре 13,3 градуса Реомюра в безвоздушном пространстве (фунт равнялся 409,51241 грамм).
Аршин упоминается в литературных источниках с середины XVI века. Происхождение наименования точно не установлено. Обычно его производят от наименования турецкой меры длины «аршин» (27,9 дюйма = 70,9 см), или от персидского «арши» – мера длины. На аршин обычно наносили деления в вершках.
Вершо́к – старорусская единица измерения, равная 1,75 дюйма (4,445 см). Первоначально равнялась длине основной фаланги указательного пальца.
Дюйм (от нидерл. Duim – большой палец) – русское название для единицы измерения расстояния в некоторых европейских неметрических системах мер, обычно равной 1/12 или 1/10 («десятичный дюйм») фута соответствующей страны (в русской и английской системах мер 1 дюйм = 10 линиям («большая линия»). Слово дюйм введено в русский язык Петром I в самом начале XVIII века. Сегодня под дюймом чаще всего понимают английский дюйм, равный 2,54 см ровно.
Локоть как мера длины применялась в древние времена во многих государствах (на Руси, в Вавилоне, Египте и др.странах) и определялась как расстояние по прямой от локтевого сгиба до конца среднего пальца вытянутой руки (или большого пальца, или сжатого кулака). Естественно, размер локтя был различным.
Кроме перечисленных мер длины в России использовались и другие меры длины, например, верста (в разные времена размер версты был различным).
Следует заметить, что громадную роль в развитии всех наук, использующих математические методы, сыграли системы счисления. Существует две концепции происхождения систем счисления – счетная и метрологическая. Концепция «пальцевого счета» убедительно объясняет происхождение десятеричной, пятеричной, двадцатеричной систем счисления, однако сталкивается с большими трудностями при объяснении происхождения систем счисления с «непальцевыми» основаниями, в частности вавилонской шестидесятеричной системой счисления (в которой единица высшего разряда содержит шестьдесят единиц низшего разряда). Пытаясь преодолеть это затруднение, немецкий историк математики Нейгебауер выдвинул гипотезу о метрологическом, измерительном происхождении систем счисления. Он исходит из исторической обстановки в эпоху Древнего Вавилона (Халдеи). Эта страна играла роль «центра мира». Ее политические и торговые связи охватывали и сопредельные, и удаленные страны. В них существовали системы с различными соотношениями крупных и мелких мер – 1:2; 1:3; 1:4; 1:5; 1:10. Для того, чтобы в этом убедиться, не обязательно даже обращаться к древним мерам. Русская сажень делилась на 3 аршина, английский ярд – на 3 фута, аршин – на 4 линейных четверти. Контарь равнялся 1/4 берковца, ведро делилось на 4 четверти, а каждая четверть равнялась 4 винным бутылкам, английский галлон равен 4 квартам. Десятина делилась на две четверти, в версте было 500 саженей, один лот содержал 3 золотника. В российском морском флоте бочка для пресной воды содержала ее два ведра, бочка для пороха – 3 пуда пороха. Польский центнер делился на 4 штейна и т.д.
Возникла необходимость в объединенной системе, в которую вписывались бы все частные системы. Такой системой и стала шестидесятеричная: 60 делится и на 2, и на 3, и на 4, и на 5, и на 10 и даже на 12. шестидесятеричная система счисления и ее подразделение – двенадцатеричная – благополучно дожила до наших дней. Она широко используется при измерениях интервалов времени. Сервизы делают на 6, 12, 24 персоны. Наборы цветных карандашей обычно содержат 6 или 12 карандашей. Английский фут делится на 12 дюймов, слово «дюжина» по-прежнему употребляется в разговорной речи, хотя почти вышла из употребления единица измерений гросс, равная 12 дюжинам.
Некоторые ученые полагают, что происхождение двенадцатеричной системы тоже связано со счетом на пальцах. Так как четыре пальца руки (кроме большого) имеют в совокупности 12 фаланг, то по этим фалангам, перебирая их по очереди большим пальцем, и ведут счет от 1 до 12. Затем 12 принимается за единицу следующего разряда и т.д.
Для поддержания единства установленных мер еще в древние времена применялись эталонные (образцовые) меры, которые хранились в церквях, т.к. церкви являлись наиболее надежными местами для хранения ценных предметов. В принятом в 1134 – 1135 гг. уставе говорилось, что переданные на хранение епископу меры надлежало «блюсти без пакости, ни умаливати, ни умноживати и на всякий год взвешивати». Таким образом, уже в те времена производилась операция, которая позже стала называться поверкой.
За умышленно неправильное измерения, обман, связанные с применением мер, предусматривались строгие наказания («казнити близко смерти»).
По мере развития промышленного производства повышались требования к применению и хранению мер, стремление к унификации размеров единиц. Так, в 1736 г. российский Сенат образовал комиссию мер и весов. Комиссии предписывалось разработать эталонные меры, определить отношения различных мер между собой, выработать проект Указа по организации поверочного дела в России. Архивные материалы свидетельствуют о перспективности замыслов, которые предполагала реализовать комиссия. Однако из-за отсутствия средств, эти замыслы в то время не были реализованы.
В 1841 году в соответствии с принятым Указом «О системе Российских мер и весов», узаконившим ряд мер длины, объема и веса, было организовано при Петербургском монетном дворе Депо образцовых мер и весов – первое государственное поверочное учреждение. Основными задачами Депо являлись: хранение эталонов, составление таблиц русских и иностранных мер, изготовление менее точных по сравнению с эталонами образцовых мер и рассылка последних в регионы страны. Поверка мер и весов на местах была вменена в обязанность городским думам, управам и казенным палатам. Были организованы «ревизионные группы», включающие представителей местных властей и купечества, имеющие право изымать неверные или неклейменные меры, а владельцев таких мер привлекать к ответственности. Таким образом, в России были заложены основы единой государственной метрологической службы.
В начале ХVШ в. появились книги, в которых содержалось описание действующей русской метрологической системы: Л.Ф.Магницкого «Арифметика» (1703г.), «Роспись полевой книги» (1709г.). Позже, в 1849г. была издана первая научно-учебная книга Ф.И. Петрушевского «Общая метрология» (в двух частях), по которой учились первые поколения русских метрологов.
Важным этапом в развитии русской метрологии явилось подписание Россией метрической конвенции 20 мая 1875 г. В этом же году была создана Международная организация мер и весов (МОМВ). Место пребывания этой организации – Франция (Севр). Ученые России принимали и принимают активное участие в работе МОМВ. В 1875 г. также в Севре было учреждено Международное бюро мер и весов (МБМВ) – постоянно действующая международная организация. Основная задача Бюро заключается в обеспечении существования единой системы измерений во всех странах-участницах этой конвенции. В МБМВ хранятся международные эталоны основных единиц и выполняются международные метрологические работы, связанные с разработкой и хранением международных эталонов и сличением национальных эталонов с международными и между собой. В МБМВ также проводятся исследования в области метрологии, направленные на увеличение точности измерений.
В 1889 г. в Депо образцовых мер и весов поступили эталоны килограмма и метра.
В 1893 г. в Петербурге на базе Депо была образована Главная палата мер и весов, которую возглавлял до 1907 г. великий русский ученый Д.И. Менделеев. Главной палате мер и весов было придано значение центрального в империи поверочного учреждения. Новые принципы организации метрологического и поверочного дела в стране были сформулированы в подготовленном Д.И. Менделеевым «Положении о мерах и весах». В это время начали проводиться серьезные метрологические исследования. России требовалось создание образцовых мер, налаживание поверочного дела. И Менделеев взялся, с одной стороны, за «возобновление прототипов», а с другой – за создание сети местных поверочных учреждений – палаток и института специально подготовленных поверителей.
Согласно «Положению о мерах и весах» в России впервые факультативно по взаимному соглашению сторон разрешалось применять в торговых сделках, контрактах, сметах, подрядах и т. п. метрические меры.
Образцовый фунт и аршин (прототипы) хранились в Главной палате мер и весов. Две основные копии фунта и аршина, изготовленные одновременно с прототипами, носили: одни – знаки короны 1894 г. (хранились замурованными в стене Сената в Санкт-Петербурге), другие – государственного герба 1894 г. (хранились в Главной палате мер и весов). В настоящее время стоит вопрос о перезамуровании.
Центральным вопросом в создании системы эталонов являлся переход на метрическую систему мер. Как результат проводимых под руководством Менделеева работ к 1895 г. были созданы прототипы русских мер веса (фунт) и длины (аршин), а также основные копии этих прототипов, изготовленные с учетом достижений науки того времени. Были установлены соотношения основных русских мер с метрическими и английскими мерами.
Одним из важнейших направлений реформы Д.И. Менделеева являлась организация системы надзора за проведением измерений в стране. С этой целью была разработана программа создания сети местных поверочных учреждений по территории России, реализация которой была рассчитана практически на 20 лет. За это время должно было быть открыто не менее 100 местных палаток.
По плану реформирования было решено создать вначале 5 таких учреждений: в Петербурге, Москве, Варшаве, Одессе и Риге. Петербургская поверочная палатка, открытая в сентябре 1900 года при Императорском Русском техническом обществе, стала первым из них и немалая в этом заслуга была самого Менделеева. Прямым «наследником» и правопреемник первого государственного поверочного учреждения – Санкт-Петербургской поверочной палатки является федеральное государственное учреждение «Тест-С.-Петербург».
Штат первой поверочной палатки был сформирован из особых служащих – поверителей. Поверителем мог стать только разносторонне и хорошо образованный человек, прошедший «испытания» и показавший хорошее знание метрологических методов и приемов.
В 1900 г. при Московском окружном пробирном управлении состоялось открытие Поверочной палатки торговых мер и весов. Так было положено начало организации метрологического института в Москве (в настоящее время – Всероссийский научно–исследовательский институт метрологической службы – ВИНИМС).
В годы советской власти метрология получила дальнейшее развитие. В 1918г. был принят декрет правительства Российской Федерации «О введении международной метрической системы мер и весов».
В 1930г. произошло объединение метрологии и стандартизации. Была проведена большая работа по изучению состояния метрологической деятельности. Опыт, полученный в эти годы, оказался полезным во время Великой Отечественной войны, когда потребовалось быстрое восстановление измерительного хозяйства на эвакуированных предприятиях и приспособление его к задачам военного производства. После окончания войны сеть поверочных и метрологических организаций начала быстро восстанавливаться. Были созданы новые метрологические институты.
В 1954г. был образован Комитет стандартов, мер и измерительных приборов при СМ СССР (в дальнейшем Госстандарт СССР). После распада СССР управление метрологической службой России осуществляет Государственный комитет РФ по стандартизации и метрологии (Госстандарт России).
В отличие от зарубежных стран управление метрологической службой в РФ осуществляется в рамках единой сферы управления, включающей и стандартизацию. Однако между этими видами деятельности существуют различия, которые углубляются по мере развития рыночных отношений. Если руководство метрологией и государственный метрологический надзор сохраняется в качестве важнейшей функции государственного управления, то стандартизация, в основу которой, судя по опыту стран с рыночной экономикой, положен диктат производителя, может претерпеть существенные изменения.
Передача размеров единиц ФВ от эталонов рабочим СИТ.
Классы точности средств измерений
Характеристики точности (погрешности) СИТ нормируются с помощью классов точности по ГОСТ 8.410–80 «ГСИ. Классы точности средств измерений. Общие требования».
Класс точности – это обобщенная характеристика средств измерений, определяемая пределами допускаемых основных и дополнительных погрешностей, а также рядом других свойств, влияющих на точность осуществляемых с их помощью измерений. Классы точности регламентируются стандартами на отдельные виды СИТ с использованием метрологических характеристик и способов их нормирования.
Классы точности не устанавливаются на СИТ, для которых предусматриваются раздельные нормы на систематическую и случайные составляющие, а также на СИТ, для которых нормированы номинальные функции влияния, а измерения проводятся без введения поправок на влияющие величины. Классы точности не устанавливаются и на СИТ, для которых существенное значение имеет динамическая погрешность.
Для остальных СИТ обозначение классов точности вводится в зависимости от способов задания пределов допускаемой основной погрешности (табл. 7.1).
Пределы допускаемой абсолютной основной погрешности устанавливают по формулам
или ,
где – значение измеряемой величины на входе (выходе) средств измерений или число делений, отсчитанных по шкале;
, – положительные числа, не зависящие от .
Выражение пределов допускаемой погрешности в форме приведенных и относительных погрешностей является предпочтительным, так как они позволяют выражать пределы допускаемой погрешности числом, которое остается одним и тем же (числами, которые остаются одними и теми же) для средств измерений одного уровня точности, но с различными верхними пределами измерений.
Пределы допускаемой приведенной основной погрешности следует устанавливать по формуле
,
где – пределы допускаемой абсолютной основной погрешности;
– нормирующее значение, выраженное в тех же единицах, что и ;
– отвлеченное положительное число, выбираемое из ряда ; ; ; ; ; ; ().
Классы точности средств измерений, для которых пределы допускаемой основной приведенной погрешности нормируются по приведенной формуле, обозначаются одной цифрой, выбираемой из ряда для чисел и выраженной в процентах. Если, например, , то класс точности обозначается как 0,5 (без кружка).
Пределы допускаемой относительной погрешности устанавливают по формуле
или ,
где – больший (по модулю) из пределов измерений;
, – положительные числа, выбираемые из того же ряда, что и :
; ,
, – положительные числа, выбираемые из того же ряда, что и .
Средствам измерений, пределы допускаемой основной погрешности которых задаются относительной погрешностью по одночленной формуле , присваивают классы точности, выбираемые из ряда чисел и равные соответствующим пределам в процентах. Так для средства измерений с класс точности обозначается .
Если пределы допускаемой основной относительной погрешности выражаются двухчленной формулой , то класс точности обозначается как , где числа и выбираются из того же ряда, что и , но записываются в процентах. Так, измерительный прибор класса точности 0,02/0,01 характеризуется пределами допускаемой основной относительной погрешности .
В обоснованных случаях пределы допускаемой абсолютной или относительной погрешности можно нормировать по более сложным формулам или даже в форме графиков или таблиц.
Классы точности обозначаются римскими цифрами или буквами латинского алфавита для СИТ, пределы допускаемой погрешности которых задаются в форме графиков, таблиц или сложных функций входной, измеряемой или воспроизводимой величины. К буквам при этом допускается присоединять индексы в виде арабской цифры. Чем меньше пределы допускаемой погрешности, тем ближе к началу алфавита должна быть буква и тем меньше цифра. Недостатком такого обозначения класса точности является его чисто условный характер.
Таблица 7.1 – Правила построения и примеры обозначения классов точности
Форма выражения погрешности | Пределы допускаемой основной погрешности | Пределы допускаемой основной погрешности, % | Обозначение класса точности | |
в документации | на СИТ | |||
Абсолютная | По формуле или | Класс точности М | М | |
Приведенная | По формуле | |||
– если нормирующее значение выражено в единицах величины на входе (выходе) СИТ | Класс точности 1,5 | 1,5 | ||
– если нормирующее значение принято равным длине шкалы или ее части | Класс точности 0,5 | |||
Относительная | По формуле | Класс точности 0,5 | ||
По формуле | Класс точности 0,02/0,01 | 0,02/0,01 | ||
Класс точности С | С |
Пределы допускаемых дополнительных погрешностей устанавливают:
– в виде постоянного значения для всей рабочей области влияющей величины или в виде постоянных значений по интервалам рабочей области влияющей величины;
– путем указания отношения предела допускаемой дополнительной погрешности, соответствующего регламентированному интервалу влияющей величины, к этому интервалу;
– путем указания зависимости предела допускаемой дополнительной погрешности от влияющей величины (предельной функции влияния);
– путем указания функциональной зависимости пределов допускаемых отклонений от номинальной функции влияния.
Пределы допускаемой дополнительной погрешности, как правило, устанавливают в виде дольного (кратного) значения предела допускаемой основной погрешности.
Для различных условий эксплуатации средств измерений в рамках одного и того же класса точности допускается устанавливать различные рабочие области влияющих величин.
Предел допускаемой вариации выходного сигнала следует устанавливать в виде дольного (кратного) значения предела допускаемой основной погрешности или в делениях шкалы. Пределы допускаемой нестабильности, как правило, устанавливают в виде доли предела допускаемой основной погрешности.
Пределы допускаемых погрешностей должны быть выражены не более чем двумя значащими цифрами, причем погрешность округления при вычислении пределов должна быть не более 5%.
Метрологические операции
Классификация измерений
Измерения традиционно разделяются по многим классификационным признакам (рис. 7.1). Рассмотрим одну из многих среди существующих разновидностей классификации по наиболее существенным традиционным признакам.
Рисунок 7.1 – Классификация измерений
Классификация по измеряемым физическим величинам – наиболее громоздка, поскольку в настоящее время их существует более 2000. Наиболее детально разработанная классификация такого рода содержит пять ступеней: области, виды, отрасли, подвиды и разновидности.
Области измерений соответствуют разделам физики (механика, оптика, электричество и т.д.).
Виды измерений определяются непосредственно измеряемыми величинами (измерение температуры, скорости, объема, массы и т.п.).
Отрасли разграничивают виды по диапазонам измерений (например, низкие, высокие, средние температуры, частоты, мощности и т.д.).
Подвиды разграничивают виды измерений в зависимости от особенностей объекта исследований (например, измерение расстояний в астрономии, под водой, толщины пленок, шероховатости и т.д.).
Разновидности – разделение подвидов на подмножества в зависимости от измеряемого параметра. Например, для измерения напряжения электрического тока различают измерения постоянных и переменных напряжений.
Если измерения основаны на наблюдении основных величин и использовании значений физических констант, они называются абсолютными, в противном случае – это относительные измерения. То есть абсолютные измерения – это измерения производной величины в соответствии с ее размерностью. Измерение основной величины может быть только абсолютным. Например, измерение длины в метрах, силы тока в амперах, скорости как расстояния деленного на время. Примером относительных измерений может быть измерение мощности электрического тока по температуре резистора, нагретого за счет рассеиваемой в нем мощности (калориметрический метод измерения мощности на СВЧ) или измерение безразмерных величин как отношение размерных (коэффициент усиления усилителя, относительная влажность воздуха и т.д.).
По режиму использования СИТ измерения делят на статические – измерение величины, размер которой можно считать неизменным за время измерения (например, измерение сопротивления резистора электрическому току) и динамические – измерения величины, размер которой нельзя считать неизменным за время измерения (например, измерение мгновенных значений изменяющегося во времени электрического сигнала).
По количеству наблюдений при измерении различают измерения с однократными и многократными наблюдениями. Многократные наблюдения, как будет показано далее, дают возможность повысить точность измерения за счет применения статистических методов обработки данных.
В зависимости от достигаемой точности измерения делят на прецизионные измерения, контрольно–проверочные и технические измерения.
Первый случай (прецизионные измерения) относится к измерениям при метрологических исследованиях, особо ответственных измерениях, в которых измерения производятся наиболее точно с учетом индивидуальных свойств используемых СИТ и результатов дополнительных измерений, выполняемых для контроля условий измерений. В этом случае осуществляется апостериорная оценка точности измерений.
Контрольно–проверочные измерения относятся к группе измерений, для которых производится приближенная апостериорная оценка точности.
Технические измерения – наиболее распространенный вид измерений, эти измерения осуществляются с наименьшей точностью, обработка экспериментальных данных минимальна, а точность измерений оценивается априорно, в рамках аттестации методики выполнения измерений.
Важнейшим признаком классификации является разделение измерений в зависимости от уравнения измерений на прямые, косвенные, совместные и совокупные.
Под прямыми измерениями понимают измерения, при которых значения величины находят непосредственно. Они заключаются в экспериментальном сравнении измеряемой величины с мерой этой величины или в отсчете показаний СИТ, непосредственно дающего значение измеряемой величины. Простейшими примерами прямых измерений являются измерения длины линейкой, температуры – термометром, электрического напряжения – вольтметром и т.д.
При косвенных измерениях значение искомой величины находят по результатам прямых измерений других величин, с которыми измеряемая величина связана функциональной зависимостью. Примеры косвенных измерений: измерение удельного сопротивления проводника по результатам измерения его сопротивления , площади поперечного сечения и длины ; измерение сопротивления резистора по результатам измерения напряжения и силы тока , проходящего через резистор.
Совместными называются проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для нахождения зависимости между ними
Примером совместных измерений может служить задача определения температурной зависимости сопротивления терморезистора
,
где – сопротивление терморезистора при 20 оС;
, – температурные коэффициенты сопротивления.
Для определения , или производится измерение в температурных точках () и по этим результатам определяется искомая зависимость.
Совокупные измерения – измерения, в которых значения нескольких одновременно измеряемых однородных величин находят решением системы уравнений, которые связывают разные комбинации этих величин, измеряемые прямо или косвенно.
Классическим примером совокупных измерений является измерение емкости двух конденсаторов С1 и С2 по результатам измерения емкости каждого из них в отдельности, а также при параллельном и последовательном их соединении. Такой метод применяется для уменьшения систематической погрешности измерения, различной в разных точках диапазона измерения.
Классификация систематических погрешностей
По месту и причине возникновения систематические погрешности делятся на методические, инструментальные и личные.
К методическим погрешностям (погрешностям метода измерения) относятся следующие погрешности:
1) погрешности, возникающие из-за несоответствия объекта измерения его модели. Например, погрешность измерения диаметра вала, сечение которого отличается от идеальной окружности; погрешность измерения среднеквадратического значения напряжения переменного тока, если его форма отличается от синусоидальной;
2) погрешности, возникающие из-за воздействия СИТ на объект измерения. Например, погрешность измерения напряжения на резисторе вольтметром, имеющим малое собственное сопротивление, погрешность измерения распределения электромагнитного поля с помощью антенны конечных размеров, погрешность измерения температуры тела, возникающая из–за оттока тепла через датчик температуры;
3) погрешности, заложенные в принцип действия СИТ при его разработке. Например, погрешность квантования при аналого–цифровом преобразовании (несовершенство отражения непрерывного по размеру значения физической величины дискретными значениями);
4) погрешности косвенных измерений, обусловленные упрощением связи между измеряемой величиной и ее аргументами, измеряемыми с помощью прямых измерений. Например, измерение количества жидкости по ее уровню в сосуде. В общем случае это нелинейная функция, которую принимают за линейную;
5) погрешности, обусловленные несовершенством алгоритма вычисления результата измерения. Например, погрешность определения математического ожидания через среднее арифметическое, погрешности численных методов, например, численного интегрирования и дифференцирования, вычисления функции путем разложения ее в ряд.
Инструментальные погрешности – это составляющие погрешности, обусловленные погрешностями СИТ. К ним относятся:
1) погрешности, обусловленные ограниченностью диапазона действия физических явлений, положенных в основу принципа действия измерительного прибора. Эти погрешности в зависимости от режима использования СИТ разделяют на статические и динамические. Примером статической погрешности является погрешность, обусловленная нелинейностью амплитудной характеристики СИТ, например, нелинейность закона Гука в широком диапазоне (возникающее удлинение образца под действием внешней силыпропорционально величине действующей силы, первоначальной длине и обратно пропорционально площади поперечного сечения : , где – модуль Юнга), нелинейность температурных датчиков при измерении температуры, частотные погрешности. Примером динамической погрешности являются погрешности, обусловленные инерционными свойствами СИТ, например, инерционностью термометра при измерении температуры, инерционными свойствами спидометра при определении быстроменяющихся скоростей;
2) погрешности, обусловленные недостатками технологии изготовления или конструкции СИТ. Например, неравенство плеч у весов, неудовлетворительная подгонка мер, люфт микрометрических винтов;
3) погрешности, обусловленные неточностью выполнения метрологических операций с СИТ (градуировки, поверки, калибровки);
4) погрешности от неправильной эксплуатации СИТ. Например, из–за неправильной установки или юстировки СИТ, расположения СИТ в сильных электрических или магнитных полях, помех в питающей сети от электрических машин и механизмов, влияния СИТ друг на друга.
Личные погрешности, или погрешности оператора, обусловлены следующими факторами:
1) инерционными свойствами органов чувств наблюдателя, например, при запаздывании в отсчетах времени максимального положения маятника;
2) влиянием месторасположения наблюдателя и особенностями системы отсчета (параллакс), ошибки в интерполяции отсчета, попадающего между двумя оцифрованными отметками и т.д.;
3) ограничением диапазона чувствительности и нелинейностью характеристик восприятия органов чувств, например, неправильное определение нулевых биений при измерении частоты гетеродинным частотомером обусловлено ограничением снизу частотного диапазона чувствительности уха.
В зависимости от характера изменения систематические погрешности подразделяются на постоянные и переменные, которые могут быть монотонными и периодическими.
Пример постоянной систематической погрешности – погрешность гири, имеющей массу 1,001 кг. Все измерения, выполняемые с применением этой гири, будут сопровождаться постоянной погрешностью 0,001 кг. Другой пример – погрешность, обусловленная неравенством плеч моста постоянного тока или разноплечностью весов. В этом случае возникает постоянная относительная погрешность измерения сопротивления или массы взвешиваемого груза.
Монотонные (прогрессивные) погрешности – те, которые возрастают или убывают во времени. пример – погрешность измерения напряжения с помощью потенциометра, обусловленная падением напряжения нормального элемента в его цепи, или аналогичная погрешность измерения сопротивления резистора методом амперметра, обусловленная разрядом питающих элементов.
Периодические погрешности периодически изменяют свою величину и знак. Например, погрешность, обусловленная смещением оси у секундомера относительно центра шкалы.
Систематическая погрешность может не зависеть или зависеть от значения измеряемой величины и соответственно быть аддитивной или мультипликативной.
Вычисление стандартных неопределенностей входных величин
Стандартные неопределенности входных величин выражаются в виде стандартных (среднеквадратических) отклонений и находятся статистическими (неопределенности типа А) и нестатистическими (неопределенности типа В) методами.
Схема бюджета неопределенностей
Входная величина | Оценка входной величины | Стандартная неопределенность | Число степеней свободы | Распределение вероятностей входной величины | Коэффициент чувствительности | Вклад неопределенности |
() | Закон | |||||
() | Закон | |||||
… | … | … | … | … | … | … |
() | Закон | |||||
Выходная величина | Оценка выходной величины | Суммарная стандартная неопределенность | Эффективное число степеней свободы | Уровень доверия | Коэффициент охвата | Расширенная неопределенность |
Для занесенных в таблицу числовых данных значений необходимо указывать единицы измерения соответствующей величины. В нижней строке бюджета неопределенности располагают информацию о выходной величине (выходная величина , ее оценка , неопределенность выходной величины , эффективное число степеней свободы , уровень доверия , коэффициент охвата , расширенная неопределенность ).
Пример: Бюджет неопределенности измерения напряжения постоянного тока при помощи вольтметра
Входная величина | Оценка входной величины | Стандартная неопределенность | Число степеней свободы | Распределение вероятностей входной величины | Коэффициент чувствительности | Вклад неопределенности, В |
2,454 В | 0,00115 В | Нормальный | 0,00115 | |||
0,0027 В | Равномерный | 0,0027 | ||||
0,00135 В | Равномерный | 0,00135 | ||||
0,00017 В | Равномерный | 0,00017 | ||||
Выходная величина | Оценка выходной величины, В | Суммарная стандартная неопределенность, В | Эффективное число степеней свободы | Уровень доверия | Коэффициент охвата | Расширенная неопределенность, В |
2,454 | 0,0032 |
Схема бюджета коэффициентов корреляции
Входные величины | … | |||
… | ||||
… | ||||
… | … | … | … | … |
… |
Вычисление расширенной неопределенности
Расширенную неопределенность получают путем умножения неопределенности выходной величины (суммарной стандартной неопределенности) на коэффициент охвата
.
Пример: При измерении напряжения расширенная неопределенность
В.
Региональная сертификация
Национальные организации по сертификации в зарубежных странах
В целях расширения внешней торговли и упрочения своих позиций на внешнем рынке в работе международных организаций участвуют национальные организации многих стран.
– Конец работы –
Используемые теги: Метрология, Стандартизация, Сертификация0.052
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Метрология, стандартизация и сертификация
Если этот материал оказался полезным для Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Твитнуть |
Новости и инфо для студентов