Метрология. Основные понятия и термины

Метрология, стандартизация и сертификация Кузнецова Юлия Вадимовна Метрология. 1.1. Основные понятия и термины Метрология — наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Предмет метрологии — измерения, их единство и точность. Метрология включает в себя методы выполнения практически всех измерительных работ на производстве, а также их правовые и теоретические основы. 1. Законодательная метрология. Правовые основы обеспечивают единообразие средств и единство измерений посредством установленных государством правил. Государственное регулирование выполняется посредством правовых актов через федеральные органы исполнительной власти (министерства и ведомства), Государственную метрологическую службу и метрологические службы предприятий и организаций. 2. Теоретическая (фундаментальная) метрология разрабатывает фундаментальные основы данной науки. 3. Прикладная (практическая) метрология освещает вопросы практического применения разработок теоретической и положений законодательной метрологии. • • • • • • • Для количественного измерения того или иного параметра необходимо: выбрать параметры, которые определяют интересующие нас свойства объекта; установить степень достоверности с которой следует определять выбранные параметры, установить допуски, нормы точности и т.д.; выбрать методы и средства измерений для достижения требуемой точности; обеспечить готовность средств измерений выполнять свои функции (посредством периодической поверки); обеспечить создание требуемых условий проведения измерений; обеспечить обработку результатов измерений и оценку характеристик погрешностей. Перечисленные положения представляют собой своеобразную цепь, изъятие из которой какогонибудь звена неизбежно приводят к получению недостоверной информации, и как следствие, к значительным экономическим потерям и принятию ошибочных решений. Возможность применения результатов измерений для правильного и эффективного решения любой измерительной задачи определяется следующими тремя условиями: 1. результаты измерений выражаются в узаконенных (установленных законодательством России) единицах; 2. значения показателей точности результатов измерений известны с необходимой заданной достоверностью; 3. значения показателей точности обеспечивают оптимальное в соответствии с выбранными критериями решение задачи, для которой эти результаты предназначены (результаты измерений получены с требуемой точностью). Единство измерений состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах, а погрешности известны с заданной вероятностью и не выходят за установленные пределы Станки сверхвысокой точности изготовления деталей • • • • • • Основными документами метрологии являются Закон РФ «Об обеспечении единства измерений» и стандарты государственной системы обеспечения единства измерений, которые объединены в следующие группы: стандартные справочные данные; стандартные образцы; эталоны единиц физических величин; методики и условия измерений; измерения геометрических, механических, электрических и других величин (например, объем, физико-химический состав и свойства материала); методы поверки, калибровки и аттестации. Стандартные образцы химических веществ 1.2. Измерение и физические величины. Понятие измерения Измерением называют совокупность действий, выполняемых с помощью специальных средств, с целью нахождения численных значений измеряемой величины в принятых единицах измерения. Целью измерения является получение значения физической величины, характеризующей контролируемый объект. Существует множество видов измерений. Рис. 1. Классификация видов измерений С помощью измерения сопоставляют измеряемую величину с единицей измерения, т. е. если имеется некоторая физическая величина X, а принятая для нее единица измерения [Х], то знамение физической величины определяется как Х  qX  Где q — числовое значение физической величины в принятых единицах измерения. Данное уравнение называют основным уравнением измерений. Например, за единицу измерения напряжения U электрического тока принят один вольт [1 В]. Тогда значение напряжения электрической сети U= q [U] = 220 [1 В] = 220 В, т. е. числовое значение напряжения 220. Если за единицу напряжения U принят один киловольт [1 кВ], а 1 В = 10-3 кВ, то U= q [U] = 220 [10- 3 кВ] = 0,22 кВ. Числовое значение напряжения будет 0,22. Еще одно важное понятие — измерительное преобразование, под которым понимают установление однозначного соответствия между размерами двух величин: преобразуемой (входной) и преобразованной в результате измерения (выходной). Множество размеров входной величины, которая преобразуется с помощью технического устройства, называют диапазоном преобразований. В зависимости от видов физических величин измерительные преобразования делятся на три группы. Первая группа представляет собой величины, которые определяют отношения: «слабее — сильнее», «мягче — тверже», «холоднее — теплее» и др. Такой величиной является, например, скорость ветра. Их называют отношениями порядка или отношениями эквивалентности. Ко второй группе относятся величины, для которых отношения порядка определяются не только между значениями величин, но и их диапазоном, т. е. разностью значений крайних величин. Например, разность диапазона температур от плюс 5 до плюс 10 °С и разность диапазона температур от плюс 20 до плюс 25 °С равны. В данном случае отношение порядка величин плюс 25 °С теплее, чем плюс 10 °С, а отношение порядка разности крайних значений первых величин соответствует разности крайних значений вторых величин. В обоих случаях отношение порядка однозначно определяется с помощью измерительного преобразователя, например, жидкостного термометра, и температура может быть отнесена к измерительным преобразованиям. Третья группа характеризуется тем, что с величинами возможно выполнение операций, подобных сложению и вычитанию (свойство аддитивности). Например, такая физическая величина, как масса: два предмета каждый массой 0,5 кг, поставленные на одну чашу рычажных весов, на другой чаше уравновешиваются гирей массой 1 кг. Измеряемая величина может быть независимой, зависимой и внешней. Независимая величина изменяется только под действием исполнителя работ (например, угол открытия дроссельной заслонки карбюратора при испытании двигателя). Зависимая величина — это величина, которая изменяется при изменении независимых переменных (например, скорость движения автомобиля при изменении угла открытия дроссельной заслонки карбюратора). Внешняя величина — это величина, характеризующая влияние внешних факторов на результаты измерений при выполнении измерительных работ, но не контролируемая человеком, выполняющим эти измерения (например, скорость встречного ветра при определении скорости движения автомобиля). Эталоном единицы величины называют средство измерений, предназначенное для воспроизведения и хранения единицы величины и передачи ее размера другим средствам измерений данной величины. Физические величины 1. По видам явлений: - Энергетические (активные) - Вещественные (пассивные) - Характеризующие процессы 2. По принадлежности к различным группам физических процессов: - Пространственно-временные - Механические - Тепловые - Электрические и магнитные - Акустические - Световые Ионизирующее излучение Физико-химические Атомной и ядерной физики 3. По степени условной независимости от других величин: - Основные - Производные - дополнительные Основные физические величины входят в систему величин и не зависят друг от друга. Они используются для установления связей с другими физическими величинами. Производные физические величины входят в систему величин и определяются через уравнения, связывающие их с основными физическими величинами. Основным величинам соответствуют основные единицы измерений, а производным — производные единицы измерений. Совокупность основных и производных единиц называют системой единиц физических величин. Размерность – устанавливает связь производной физической величины с основными физическими величинами: dim Q = Lα Mβ Tɣ Iɳ M, L, T, I – условные обозначения основных величин данной системы; α, β, ɣ, ɳ положительные вещественные размерности. целые или дробные, или отрицательные числа, показатели Первой системой единиц считается метрическая система, где за основную единицу длины был принят метр, за единицу массы— грамм, т. е. масса 1 см3 химически чистой воды при температуре плюс 4 °С. Сегодня широкое распространение получила Международная система единиц СИ, основными единицами которой являются: • единица длины — метр, равен длине пути, которую проходит свет в вакууме за 1/299792458 долю секунды; • единица массы — килограмм, равен массе международного прототипа килограмма, представляющего собой цилиндр из сплава платины и иридия; • единица времени — секунда, равен продолжительности 9192631770 периодов излучения, соответствующих переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133; • единица силы электрического тока — ампер, равен силе неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызывает на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2 • 10-7 Н; • единица термодинамической температуры — кельвин, равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды (допускается также применение шкалы Цельсия); • единица количества вещества — моль, количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько атомов содержится в углероде-12 массой 0,012 кг; 1.3. Виды измерений Измерения различают по способу получения и характеру результата, условиям, методам, степени достаточности, связи с объектом, числу и точности оценки погрешности. По способу получения результата измерения делятся на прямые, косвенные, совокупные, совместные и динамические. 1. Прямые измерения — это непосредственное сравнение физической величины с ее единицей. Например, при определении длины предмета с помощью линейки происходит сравнение искомой величины (количественного выражения значения длины) с мерой, т. е. единицей измерения. Различают шесть методов прямых измерений: 1. метод непосредственной оценки, при котором значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора, например, давление — пружинным манометром, массу — на весах, электрический ток — амперметром; 2. метод сравнения с мерой, где измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой, например, измерение массы с помощью рычажных весов уравновешиванием гирей; 3. метод дополнения, где значение измеряемой величины дополняется мерой этой же величины с таким расчетом, чтобы на прибор сравнения воздействовала их сумма, равная заранее заданному значению; дифференциальный метод характеризуется измерением разности между измеряемой величиной и известной величиной, воспроизводимой мерой. 5. нулевой метод аналогичен дифференциальному, но разность между измеряемой величиной и мерой сводится к нулю; 6. метод замещения — метод сравнения с мерой, в которой измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой, например, взвешивание с поочередным размещением измеряемого объекта и гирь на однуи ту же чашу весов. 4. 2. Косвенные измерения отличаются от прямых тем, что искомое значение устанавливают по результатам прямых измерений таких величин, которые связаны с искомой определенной функциональной зависимостью. Так, если в данной электрической цепи измерить силу тока амперметром, а напряжение вольтметром, то по известной функциональной зависимости можно определить мощность этой электрической цепи. Прибор для измерения геометрических размеров предметов косвенным методом. 3. Совокупные измерения основываются на решении системы уравнений, составляемых по результатам одновременных измерений нескольких одноименных величин. Для вычисления искомой величины число уравнений должно быть не меньше числа величин. 4. Совместные измерения — это одновременное измерение двух или нескольких неодноименных физических величин для определения зависимости между ними. 5. Динамические измерения связаны с такими величинами, которые изменяют свой размер во времени. Например, измерение мгновенного значения переменного тока или напряжения. По числу измерений величины различают на однократные и многократные измерения. Однократные измерения — это когда одно измерение соответствует одной величине, т. е. число измерений равно числу измеряемых величин. Многократные измерения — это когда число измерений превышает число измеряемых величин. В этом случае минимальное число измерений больше трех. По характеру результата измерения делятся на абсолютные, относительные и допусковые (пороговые). Абсолютными измерениями называют такие, при которых используют прямое измерение одной (иногда нескольких) основной величины и значение физической константы. Так, в формуле Эйнштейна Е=mс2 масса (m) — основная физическая величина, которая может быть измерена прямым путем (взвешиванием), а скорость света (с) — физическая константа. Относительные измерения — это установление как относится измеряемая величина к одноименной величине, применяемой в качестве единицы. Искомое значение зависит от используемой единицы измерения. Допусковые (пороговые) – это такие, при которых измеряется поле допуска между двумя или более величинами (можно рассматривать как частный случай относительных измерений). По условиям измерения делятся на равноточные и неравноточные. Равноточные измерения - ряд измерений какойлибо величины, выполненных одинаковыми по точности средствами измерений в одних и тех же условиях с одинаковой тщательностью. Неравноточными измерениями называют такие, при которых измерения одной и той же физической величины выполняются разными приборами, в различных условиях и с различной точностью. 1.4. Виды средств измерений Для измерения физической величины применяют технические средства, которые называются средствами измерений. Средство измерения — это техническое средство, предназначенное для измерения, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и хранящее единицу физической величины, размер которой принимается неизменным в течение известного интервала времени. Средства измерения — это основа метрологического обеспечения, они имеют нормированные погрешности. Измерительный прибор, средство измерений, дающее возможность непосредственно отсчитывать значения измеряемой величины Средства измерения основаны на использовании различных физических эффектов. К средствам измерений относятся: меры, измерительные преобразователи, приборы, системы и установки, принадлежности. Мера — это средство измерения, предназначенное для воспроизведения или хранения физической величины заданного размера, например, гири, концевые меры длин и др. Стандартный образец — это образец вещества (материала), который аттестуется с количественными значениями величин, характеризующими свойства или состав этого вещества (материала). Измерительный преобразователь — это техническое средство, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Основной метрологической характеристикой измерительного преобразователя считается соотношение между входной и выходной величинами, которое называется функцией преобразования. К измерительным преобразователям относятся термопары, измерительные трансформаторы и усилители, преобразователи давления. Измерительные приборы — средства измерений, предназначенные для переработки сигнала измерительной информации в другие формы, доступные для непосредственного восприятия наблюдателем. Виды приборов: Приборы прямого действия отображают измеряемую величину на показывающем устройстве, имеющем градуировку в соответствующих единицах физической величины, например, амперметры, вольтметры и т. п. Приборы сравнения (компараторы) сравнивают измеряемые величины с величинами, значения которых известны, например, электроизмерительные потенциометры. Измерительные системы и установки — это совокупность функционально объединенных автоматизированных или автоматических средств измерения, предназначенных для измерения одной или нескольких физических величин объекта измерений. Измерительные принадлежности — вспомогательные средства, используемые для обеспечения необходимых условий чтобы выполнить измерения с требуемой точностью. По метрологическому назначению средства измерений делятся на рабочие средства измерения и эталоны. • Эталон – это высокоточная мера, предназначенная для воспроизведения и хранения единицы физической величины для передачи её размера другим средствам измерения. • Первичный эталон – воспроизводящий единицу физической величины с наивысшей точностью. • Вторичный эталон – «эталон-копия». • Рабочий эталон – передаёт размер от вторичного эталона рабочим средствам измерения, инструменту. По способу отсчета измеряемой величины средства измерения делятся на показывающие (например, аналоговые и цифровые) и регистрирующие (бумажная или магнитная лента). Микрометр – прибор непосредственной оценки Образцовая мера электрического сопротивления Весы – прибор сравнения В штангенциркуле используется метод совпадения 1.5. Шкалы измерений Шкала средства измерений — это упорядоченная совокупность отметок и цифр, соответствующая ряду последовательных значений измеряемой величины. В шкале Цельсия за начало отсчета принята температура таяния льда, а в качестве основного интервала (опорной точки) — температура кипения воды. Одна сотая часть этого интервала — Градус Цельсия (°С), является единицей температуры. В • • • • • • метрологической практике разновидностей шкал: шкала наименований, шкала порядка, шкала интервалов, шкала отношений, абсолютные шкалы, условные шкалы. известны несколько Шкалы наименований — это качественные шкалы, которые не содержат нуля и единиц измерений, здесь отсутствуют отношения типа «больше — меньше». Примером может служить шкала цветов (атлас цветов). Шкалы порядка. Свойства величин описывают как отношением эквивалентности, так и отношением порядка по возрастанию или убыванию количественного проявления свойства. В этих шкалах может иметься нулевая отметка, но отсутствуют единицы измерения, поскольку невозможно установить, в какое число раз больше или меньше проявляется свойство величины. Обычно шкалы порядка характеризуют значение измеряемой величины (сила землетрясения, сила ветра и т. п.) в баллах. Шкала интервалов (разностей). Описывать свойства величин можно не только с помощью отношений эквивалентности и порядка, но и с применением суммирования и пропорциональности интервалов (разностей) между количественными проявлениями данного свойства. Шкалы интервалов имеют условные нулевые значения, а интервалы устанавливаются по согласованию. Такими шкалами являются шкалы времени и длины. Шкала отношений имеет естественное нулевое значение, а единица измерений устанавливается по согласованию. Например, шкала весов, начинаясь с нулевой отметки, может быть градуирована поразному в зависимости от требуемой точности взвешивания. Абсолютные шкалы всегда имеют определение единицы измерения физической величины. Условные шкалы — это шкалы физических величин, исходные значения которых выражены в условных единицах, иногда их называют неметрическими. К ним относятся шкалы твердости минералов и металлов. 1.6. Точность измерений Точность измерения — это степень приближения результатов измерения к некоторому действительному значению физической величины. Чем меньше точность, тем больше погрешность измерения и, соответственно, чем меньше погрешность, тем выше точность. Даже самые точные приборы не могут показать действительного значения измеряемой величины. Обязательно существует погрешность измерения, причинами которой могут быть различные факторы. Погрешности могут быть: • систематические, например, если тензосопротивление плохо наклеено на упругий элемент, то деформация его решетки не будет соответствовать деформации упругого элемента и датчик будет постоянно неправильно реагировать; • случайные, вызванные, например, неправильным функционированием механических или электрических элементов измерительного устройства; • грубые, допускаются самим исполнителем, который из-за неопытности неправильно считывает показания прибора или ошибается при обработке информации. Их причиной могут стать и неисправность средств измерений, и резкое изменение условий измерения. Полностью исключить погрешности практически невозможно, а вот установить пределы возможных погрешностей измерения и, следовательно, точность их выполнения необходимо. Погрешностью измерения ∆ (Аизм) называют отклонение результата измерения (А) от истинного или действительного значения (АИ или АД) измеряемой величины: Аизм  А  АД Различают следующие виды погрешностей: • абсолютная погрешность • относительная погрешность • приведенная погрешность измерения 1.6.1. Абсолютная погрешность измерений Абсолютная погрешность измерения равна разности между результатом измерения А и истинным значением измеренной величины А Д: • Где: • - абсолютная погрешность измерений - результат измерения • – истинное значение измеряемой величины 1.6.2. Относительная погрешность Относительная погрешность измерения представляет собой отношение абсолютной погрешности измерения к истинному значению измеряемой величины, выраженное в процентах: 1.6.3. Приведенная погрешность Чтобы оценить погрешность измерения прибора введена приведенная погрешность Приведенная погрешность выражается отношением абсолютной погрешности к условно принятому нормирующему значению величины. За нормирующее значение принимают верхний предел измерений. Аmax – верхний предел измерения прибора. 1.7. Качество измерений Под качеством измерении понимают совокупность свойств, обусловливающих получение результатов с требуемыми точностными характеристиками, в необходимом виде и установленные сроки. Качество измерений характеризуется показателями: • точность измерений, • погрешность измерений • сопоставимость результатов измерений,, • правильность измерений • сходимость измерений; • воспроизводимость измерений. Точность измерений - показатель качества измерений, отражающий близость их результатов к истинному значению измеряемой величины Погрешность измерения результата измерения измеряемой величины от отклонение истинного значения Сопоставимость результатов измерений достигается выполнением основного принципа (закона) метрологии о единстве измерений. Единство измерений такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах, размеры которых соответствуют единицам, воспроизводимым эталонами, а погрешности результатов измерений не выходят за установленные пределы. То есть, единство измерений обеспечивает сопоставимость результатов измерений, выполненных в различное время, в различных местах, разными средствами и методами. Правильность измерения - это качественная характеристика измерения, которая определяется тем, насколько близка к нулю величина постоянной или фиксировано изменяющейся при многократных измерениях погрешности (систематическая погрешность). Отсутствие систематической погрешности Наличие систематической погрешности Сходимость результатов измерений характеристика качества измерений, отражающая близость друг к другу результатов измерений одной и той же величины, выполненных повторно одними и теми же средствами, одним и тем же методом, в одинаковых условиях и с одинаковой тщательностью. Воспроизводимость результатов измерений - это повторяемость (в пределах установленной погрешности) результатов измерений одной и той же величины, полученных в разных местах, разными методами, разными средствами, разными операторами, в разное время, но приведенных к одним и тем же условиям измерений. a. b. c. хорошая воспроизводимость/сходимость, хорошая правильность/точность хорошая воспроизводимость/сходимость (низкая правильность/точность) и воспроизводимость, и точность оставляют желать лучшего.