Лекции по метрологии
(для студентов заочного отделения)
Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и требуемой точности.
Единство измерений – результаты выражены в узаконенных единицах и установлены допустимые погрешности.
Метрология определяет как правильно проводить измерения, поэтому является базовой наукой.
В РФ имеется примерно 1,5 млрд. средств измерений (СИ).
Официально началом участия государства в метрологическом деле в России считается 1893 г., когда была создана Главная палата мер и весов. Возглавил ее Д.И. Менделеев. Он и считается первым метрологом России.
В 1930 г. был создан Госстандарт СССР. Сейчас работу в РФ возглавляет Росстандарт. Подразделения государственной метрологической службы (ГМС) Росстандарта:
- научные метрологические центры и НИИ;
- опытные заводы;
- издательства, учебные заведения;
- территориальные органы (областные);
- метрологические службы органов управления и юридических лиц (на каждом предприятии есть метрологическая служба).
В метрологии выделяют три направления:
1. Законодательное (разработка нормативных документов, испытания СИ, утверждение типа СИ, их поверка, калибровка, сертификация, метрологический контроль и надзор).
2. Фундаментальное или научное (разработка новых методов измерений, средств измерений, методов обработки результатов измерений, определения погрешностей).
3. Практическое или прикладное.
Базовые законы по метрологии:
1. «Об обеспечении единства измерений»
2. «О техническом регулировании».
Основные метрологические термины и определения
Физическая величина (ФВ) – одно из свойств физического объекта, которое является общим в количественном отношении для многих физических объектов, отличаясь количественным значением.
Отличие: ФВ имеет единицу измерения.
Пример ФВ: ток, напряжение, …
Размер ФВ – количественное содержание ФВ в данном объекте.
Значение ФВ – количественная оценка ФВ в виде некоторого числа единиц данной ФВ.
Единица ФВ – ФВ, которой по определению придано значение, равное единице.
Измерение – нахождение значений ФВ опытным путем с помощью специальных технических средств.
Точность измерений – степень приближения результатов измерений к истинному значению измеряемой величины. Численно оценивается с помощью погрешностей.
Погрешность измерений – отклонение результата измерений от действительного (истинного) значения измеряемой величины.
Действительное значение – значение, определенное экспериментально (с помощью эталонных средств измерений) и настолько близкое к истинному, что может быть за него принято.
Истинное значение – значение, идеально отражающее в качественном и количественном отношении соответствующее свойство данного физического объекта.
Средства измерений (СИ) – технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные погрешности (класс точности).
Единицы измерений. Системы единиц
Все первые единицы измерений были привязаны к телу человека или каким-то широко распространенным предметам.
Так в России для измерения длины:
- пядь – расстояние между большим и средним пальцами;
- аршин – 4 пяди;
- локоть;
- сажень – 3 локтя (примерно 152 см).
В Англии:
- дюйм (с 1324 г.!) – три круглых сухих ячменных зерна, уложенных по длине;
- фут – 12 дюймов;
- ярд – 3 фута.
В 1496 г. был создан эталон ярда – латунный восьмигранный стержень.
По мере развития измерений изобретались новые единицы измерений и острой стала проблема сопоставимости результатов.
Так в электротехнике к 1870 г. в мире применялось 15 единиц измерения сопротивления, восемь – напряжения, пять – тока и т.д. В 1881 г. состоялся Первый международный электротехнический конгресс, на котором вопросу единых единиц измерения уделили много внимания.
Истории известно несколько международных систем единиц измерения.
С 1963 г. в большинстве стран, в том числе и в России используется система СИ. Она включает семь основных величин (метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, кандела, моль), две дополнительных (радиан и стерадиан) и множество производных (ом, ватт, герц, вольт и т.д.).
Некоторые виды деятельности Росстандарта
1. Утверждение типа СИ.
Оно необходимо для постановки на производство и выпуск в обращение новых типов СИ или ввоз их из-за границы.
Процедура утверждения предусматривает:
- обязательные испытания СИ;
- принятие решения об утверждении типа СИ;
- его регистрацию;
- выдача свидетельства (ранее - сертификата) об утверждении типа СИ.
Утвержденный тип СИ подлежит внесению в Госреестр СИ, который ведет Росстандарт. На СИ утвержденного типа и эксплуатационные документы наносится знак утверждения типа СИ.
Знак утверждения типа СИ
2. Поверка СИ. Поверка СИ заключается в установлении органом ГМС пригодности СИ к применению на основании экспериментально определяемых метрологических характеристик и подтверждения их соответствия установленным требованиям (в первую очередь – указанному на СИ классу точности).
Поверка СИ осуществляется в аккредитованном испытательном центре (лаборатории) аттестованным в качестве поверителя физическим лицом.
Различают поверки:
- первичную, после изготовления;
- периодическую (в эксплуатации, например, раз в год);
а также внеочередную, инспекционную, экспертную.
Знак поверки (голографический)
Для обеспечения единства измерений в стране существует Государственная поверочная схема. Она установлена для обеспечения правильной передачи размеров единиц от эталонов к рабочим СИ. Утверждена схема Росстандартом.
Стрелки на схеме показывают какие менее точные СИ следует поверять СИ данного уровня. Так по эталонным СИ 1-го разряда, например, следует поверять эталонные СИ 2-го разряда, а также рабочие СИ высшей точности.
Эталонные СИ можно применять только для поверки, а рабочие – при любых измерениях. Класс точности эталонного прибора должен быть в 5 раз выше, чем у поверяемого (иногда допускается в 3 раза). На каждом этапе передачи размеров единиц регламентируется метод передачи.
 |
Государственная поверочная схема
Обязательность поверки СИ определяется областью их применения. Закон РФ «Об обеспечении единства измерений» содержит их перечень. Это военная и космическая техника, медицина, торговля, фиксация рекордных результатов в спорте и т.д.
Если же область применения данного СИ в вышеназванный перечень не входит, то в процессе эксплуатации проводят или его поверку добровольно, или калибровку.
Процедура калибровки схожа с процедурой поверки, однако проводить ее могут и не только государственные метрологические службы, но и службы юридических лиц, если они имеют на это право (аккредитование).
3. Лицензирование деятельности по изготовлению, ремонту и продаже СИ.
Лицензия – документально оформленное разрешение, выдаваемое органом государственной метрологической службы на закрепленной за ним территории юридическому или физическому лицу на осуществление им деятельности по изготовлению, ремонту и продаже СИ.
Лица, претендующие на лицензию на изготовление СИ, должны иметь свидетельство об утверждении типа СИ. При этом проверяется наличие помещений, соответствующего оборудования и СИ, уровень подготовленности персонала и т.д.
4. Сертификация СИ – носит добровольный характер.
а)
| 
б)
|
Знаки сертификации
а) – добровольная
б) – обязательная.
Методы измерений
Метод измерений (МИ) – прием или совокупность приемов сравнения измеряемой величины с ее единицей.
МИ делятся на методы непосредственной оценки, когда измеряемое значение определяют по отсчетному устройству измерительного прибора (например, ток по амперметру) и методы сравнения с мерой, когда в процессе измерений устанавливается равенство или определенное соотношение с мерой. Т.к. в процессе измерений участвует мера, то точность измерений методами второй группы возможна значительно выше, чем у первой, хотя процесс измерений может быть сложнее.
Различают методы одновременного и разновременного сравнения с мерой.
Наиболее известный метод одновременного сравнения – нулевой. При измерениях этим методом действие измеряемой величины Ах на индикатор сводится к нулю встречным действием известной величины А0. При этом Ах= А0.
Из методов разновременного сравнения рассмотрим метод замещения. Согласно ему измеряемая Ах заменяется известной А0, и изменением А0 цепь приводится в прежнее состояние (например, вместо резистора Rx в цепь ставится магазин сопротивлений, и изменением его сопротивления R0 восстанавливают в цепь прежний ток. При этом Rx = R0).
Методики выполнения измерений
С учетом того, что погрешность измерений зависит не только от класса точности, но и от других причин, которые определяются выбранным методом и процедурой измерений (условия измерения; погрешность, вносимая оператором и т.д.) создаются методики выполнения измерений (МВИ).
МВИ – совокупность конкретно описанных операций, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с установленными показателями точности.
МВИ, по сути, прописывает технологический процесс измерений (устанавливает метод и процедуру измерений, условия их проведения, требования к помещениям, оборудованию и оператору, правила обработки результатов измерений, определения погрешностей).
Виды измерений
1. По способу получения результатов измерений:
- прямые – измерения, при которых искомое значение величины получают непосредственно от средства измерений (например, нахождение напряжения по показаниям вольтметра).
- косвенные – измерения, при которых искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям (например, нахождение по закону Ома сопротивления по измеренным напряжению и току).
- совместные – производимые одновременно измерения двух или более неодноименных величин для нахождения зависимости между ними (например, измерения сопротивления и температуры).
2. По характеру зависимости измеряемой величины от времени различают измерения статические и динамические.
3. По количеству равноточных (равной точности) измерений различают измерения однократные и многократные. Преимущество многократных – в значительном снижении влияния случайных факторов на погрешность измерений.
Средства измерений
Средство измерений (СИ) – техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики.
Основные группы СИ:
1. Меры (эталоны). Эталоны – высокоточные меры.
Меры – СИ, предназначенные для хранения и воспроизведения физической величины заданного размера с определенной точностью.
Первичные эталоны воспроизводят единицы ФВ с наивысшей точностью. Например, первичный в РФ эталон времени обеспечивает погрешность не более одной секунды в 500 тысяч лет. От первичного эталона размер передается эталонам-копиям, а от них – разрядным эталонам (см. поверочную схему).
2. Измерительные приборы (ИП) – СИ, предназначенные для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для восприятия наблюдателем.
По форме измерительной информации различают приборы аналоговые (в том числе стрелочные) и цифровые.
Есть ИП показывающие (результат считывается) и регистрирующие (результат прибором фиксируется).
По характеру применения: стационарные (щитовые) и переносные (лабораторные).
3. Измерительные установки – стационарные установки, содержащие несколько измерительных устройств (например, установка для поверки амперметров и вольтметров постоянного тока содержит источники питания, эталонные приборы, резисторы в термостате и др. оборудование).
4. Измерительные преобразователи – СИ, предназначенные для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки или хранения, но не поддающихся непосредственному восприятию наблюдателем.
Основные группы:
- масштабные, ослабляющие или усиливающие измерительный сигнал (измерительные трансформаторы, делитель напряжения, усилители и др.);
- фильтры, отделяющие сигнал от помех;
- аналого-цифровые преобразователи;
- преобразователи неэлектрических величин в пропорциональные им электрические (датчики).
5. Измерительные системы – совокупности функционально объединенных мер, измерительных приборов, преобразователей, компьютеров и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта с целью измерения нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в разных целях.
6. Измерительные принадлежности – устройства, обеспечивающие технику безопасности и удобство измерений.
7. Виртуальные приборы – состоят из персонального компьютера с программным обеспечением и встроенной в него аналого-цифровой платой сбора данных.
Погрешности
Погрешности СИ делятся:
- в зависимости от условий возникновения на основные и дополнительные;
- в зависимости от изменения во времени измеряемой величины на статические и динамические;
- в зависимости от значения измеряемой величины на аддитивные и мультипликативные;
- по закономерности проявления – систематические и случайные.
Погрешности СИ можно численно выразить как абсолютную, относительную и приведенную.
Основная – погрешность СИ при его применении в нормальных условиях;
Дополнительная – возникающая дополнительно к основной при применении СИ в условиях, когда влияющие величины (температура, влажность и т.п.) выходят за установленные границы.
Статическая – при измерении не меняющейся во времени величины.
Динамическая – при измерении меняющейся во времени величины.
Аддитивная – не зависящая от размера измеряемой величины.
Мультипликативная – увеличивающаяся с ростом измеряемой величины.
Систематическая – постоянная или закономерно меняющаяся.
Случайная – изменяющаяся случайным образом.
Абсолютная – погрешность СИ, выраженная в единицах измеряемой величины.
Это разность между показанием прибора Х и действительным значением Хд измеряемой величины:
.
Поправка – абсолютная погрешность, взятая с обратным знаком. При сложении поправки с Х получается Хд.
Относительная:
.
Относительная погрешность более информативна, чем абсолютная, т.к. есть привязка к показанию прибора.
Приведенная:
,
где ХН равен пределу измерений.
Класс точности СИ
Класс точности (К) – обобщенная характеристика точности СИ, выражаемая пределами допускаемых погрешностей.
У аналоговых ИП класс точности выражается одним числом, у цифровых – двумя числами в виде отношения.
У аналоговых:
.
Т.е. класс точности показывает максимально возможную приведенную погрешность. Соответствие прибора этому условию и проверяется при поверке.
Для стрелочных амперметров и вольтметров, например, установлены следующие К:
0,05; 0,1; 0,2; 0,3; 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0.
Зная К, можно рассчитать пределы допускаемой относительной погрешности (в процентах) для любого показания прибора:
,
где Х – показания прибора.
У цифровых приборов класс точности выражается в виде c/d, например: 0,1/0,05.
В этом случае:
,
где ХК – конечное значение выбранного диапазона измерений.
Нормируемые метрологические характеристики
средств измерений
Метрологическая характеристика (МХ) – характеристика одного их свойств СИ, влияющая на результат измерений и его погрешность.
При поверке (калибровке) СИ определяют действительные значения МХ и сравнивают с установленными нормами.
МХ нормируют для нормальных условий эксплуатации.
1. Погрешность – основная МХ. Максимально допустимая погрешность СИ определяется его классом точности.
2. Собственная потребляемая из контролируемой цепи мощность (чем меньше, тем лучше, т.к. включение СИ в цепь не должно искажать режим ее работы).
3. Область рабочих частот (диапазон частот).
У измерительных приборов к МХ также относят:
- диапазон показаний – область значений шкалы прибора, ограниченная начальным и конечным значением шкалы;
- диапазон измерений – область значений величины, в пределах которой нормированы (классом точности) допускаемые пределы погрешности. Пределы диапазона измерений на шкале выделяются точками, если они не совпадают с начальным и конечным значениями шкалы.
- чувствительность (например, для амперметра это число делений на ампер);
- цена деления – обратная чувствительности МХ (для амперметра это число ампер на деление).
Локальные поверочные схемы
Для поверки амперметров и вольтметров классов точности 1,0 и больше обычно используется метод непосредственного сличения с эталонным прибором. В основе метода лежит проведение одновременных измерений поверяемым и эталонными приборами. Погрешность определяют как разницу показаний, принимая показания эталонного за действительное значение измеряемой величины.
Предел измерений эталонного прибора выбирается несколько больше предела поверяемого, но не более, чем на 25 %. Класс точности эталонного прибора должен быть в 5 раз выше, чем у поверяемого. (пример: для поверки приборов классов 1,0 подходит эталонный прибор класса 0,2).
Поверка проводится на всех числовых отметках шкалы поверяемого (кроме нулевой) при двух вариантах изменения тока (напряжения): при увеличении («вверх» по шкале) с остановкой на каждой числовой отметке. Затем – тоже «вниз» по шкале.
Для того, чтобы оценить соответствие прибора указанному на нем классу точности, следует сопоставить с ним полученные значения приведенной погрешности. Если все значения 
, то прибор классу точности соответствует. Если же хотя бы одно значение g превышает К – вывод противоположный.
Напоминание: амперметры включаются при поверке последовательно, а вольтметры – параллельно друг другу.
Вопросы к экзамену по метрологии
для студентов заочного отделения
ч. I. Основы метрологии
1. Метрология. Основные термины и определения. Метрологические службы в стране.
2. Утверждение типа средства измерений. Поверка. Лицензирование.
3. Методы измерений. Методики измерений. Виды измерений.
4. Средства измерений. Их метрологические характеристики.
5. Погрешности измерений.
6. Классы точности.
7. Поверка амперметров и вольтметров.
ч. II. Электрические измерения
8. Измерительные приборы.
9. Аналоговые измерительные приборы. Общие узлы. Обозначения на циферблате.
10. Шунты, добавочные резисторы, делители напряжения.
11. Измерительные трансформаторы тока и напряжения.
12. Магнитоэлектрические приборы.
13. Омметры. Схемы.
14. Электродинамические приборы. Схема ваттметра.
15. Электронно-лучевые осциллографы.