Метрология как наука. Средства измерений

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Международный словарь основных и общих терминов метрологии (У1М, 2-е изд., 1993 г.) дает самое краткое определение метрологии: наука об измерениях. Измерения сопутствуют человеку буквально на каждом шагу. В повседневной жизни мы постоянно сталкиваемся с измерениями расстояний, масс, времени, температуры, давления. В современной промышленности ежедневно выполняются миллиарды измерений. Доля затрат на выполнение измерений составляет в среднем 10--15% от общих трудозатрат, а в электронике -- до 60-- 80%. О роли измерений в научных исследованиях достаточно определенно высказался Д.И. Менделеев: «Наука начинается... с тех пор, как начинают измерять; точная наука немыслима без меры».

Необычайно широк спектр значений измеряемых величин. Например, расстояния (в метрах) измеряют в диапазоне от Ю^-10 до 10¹⁷, температуру (в Кельвинах) -- от 0,5 до 10⁶, силу электрического тока (в амперах) -- от 10~¹⁶ до 10⁴, мощность (в ваттах) -- от 10 ~¹⁵ до 10⁹.

Достигнутая точность уникальных измерительных систем поражает воображение. Лучшие национальные эталоны позволяют измерять интервалы времени с погрешностью, не превышающей Ю^-16 с. Это означает, что погрешность всего в одну секунду сможет «набежать» не ранее чем через 300 миллионов лет! Такой уровень точности -- не экзотика, он диктуется практическими потребностями общества, в первую очередь задачами развития космической и оборонной техники. Для того, чтобы обеспечить определение координат подвижного объекта (корабля, самолета, автомобиля, человека) в любом географическом районе Земли с погрешностью не более 20--30 метров, на борту спутников навигационных космических систем (ГЛОНАСС в России, NАV5ТАК--СР5 в США) установлены квантовые стандарты частоты с погрешностью Ю^-13 сек. Причиной отклонения головной части ракеты на 100 м и более может оказаться ошибка в измерениях температуры топлива всего на 1 -С.

Метрология как область практической деятельности по своей социальной значимости соизмерима с системами связи, транспорта, здравоохранения, торговли, обороны страны. Закон РФ «Об обеспечении единства измерений» направлен «на защиту прав и законных интересов граждан, установленного правопорядка и экономики Российской Федерации от отрицательных последствий недостоверных результатов измерений». Применение приборов, не прошедших поверку, или ошибочных методов измерений ведет к нарушению технологического процесса, браку продукции, потерям ресурсов, появлению предпосылок для аварийных ситуаций. Так, авария на Чернобыльской атомной электростанции в 1986 г. явилась следствием, в числе прочего, плохой организации измерений.

В различных странах были проведены исследования для определения экономической выгоды от затрат на метрологию. Хотя точные обобщающие цифры отсутствуют, нет никакого сомнения в том, что выгода значительно превышает затраты. Например, по данным Национального института стандартов и технологий США, отношение затрат к выгоде за счет повышения точности измерений сопротивления кремния в полупроводниковом производстве составило 1 : 37, а сертификация стандартных образцов для различных сортов бензина, проведенная в соответствии с «Законом о чистом воздухе» (1990) и позволившая в несколько раз снизить неопределенность в измерениях, дала годовой экономический эффект около 40 млн долл.

Реализация современных высоких технологий невозможна без применения всего арсенала метрологии. Такие технологии требуют получения и переработки огромного объема измерительной информации, без которой их внедрение не дает ожидаемого эффекта. Для осуществления измерений широко применяется микропроцессорная техника и персональные компьютеры, а также интеллектуальные средства измерений. Возросшие требования к качеству измерения превратили его в сложную процедуру подготовки и проведения измерительного эксперимента, обработки и интерпретации полученной информации. В связи с большим разнообразием измерений, их классифицируют по областям измерений, т. е. совокупностям видов измерений, свойственных какой-либо области науки или техники и выделяющихся своей спецификой. Принято различать следующие области и виды измерений:

1. Геометрические измерения (длина, угол, отклонения формы и расположения поверхностей, параметры шероховатости поверхности, координаты сложной поверхности).

2. Механические измерения (масса, сила, крутящий момент, напряжение и деформация, твердость, параметры движения) метрологии

3. Измерения расхода, вместимости, уровня, параметров потока.

4. Измерения давления и вакуума.

5. Физико-химические измерения (вязкость, плотность, влажность, концентрация компонентов, кондуктометрия, рН-метрия).

6. Температурные и теплофизические измерения.

7. Измерения времени и частоты.

8. Электрические и магнитные измерения на постоянном и переменном токе (сила тока, напряжение, энергия, мощность, сопротивление, проводимость, емкость, индуктивность, добротность, параметры электрических и магнитных полей, магнитные характеристики материалов).

9. Радиоэлектронные измерения (интенсивность, параметры формы и спектра сигналов, параметры трактов и антенн, измерения свойств веществ и материалов радиотехническими методами).

10. Виброакустические измерения (параметры вибрации, акустические измерения в газовой и жидкой среде и в твердых телах).

11. Оптические и оптико-физические измерения (сила света, освещенность, энергетические параметры излучения, характеристики лазерного излучения, оптические свойства и характеристики материалов).

12. Измерения параметров ионизирующих излучений и ядерных констант.

13. Биологические и биомедицинские измерения.

Границы реального распространения метрологии определяются тем содержанием, которым наполняется термин «измерение», поскольку понятие измерения является фундаментальным для метрологии. Пока же продолжается поиск такой формулировки его определения, которая бы адекватно отражала практически реализуемую в настоящее время систему измерений и была признана большинством метрологов. Иллюстрацией диапазона мнений в подходе к этому вопросу могут служить два примера определения термина «измерение»[5, c.8-11].

1. ЭЛЕМЕНТЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ПРОЦЕДУРЫ

Предметом метрологии является получение качественной или количественной информации о свойствах объектов окружающего мира путем измерения. Само измерение -- сложная процедура, включающая целый ряд последовательных и взаимодействующих элементов. Совокупность и порядок следования элементов процедуры измерения конкретного свойства фиксируется в форме соответствующей методики выполнения измерений.

Начальным элементом всякого измерения является его задача (цель). Задача измерения в общем случае -- это получение результата измерения требуемого качества, т. е. необходимой точности и достоверности. Формулирование конкретной измерительной задачи осуществляется с учетом априорной (полученной до проведения самого измерения) информации об измеряемом объекте и его свойствах. Анализ априорной информации позволяет заранее определить характеристики предстоящего измерения, в том числе достижимый уровень его точности.

Объект измерения -- это реальный объект (тело, вещество, поле, явление, процесс, организм), обладающий некоторой суммой свойств и находящийся в многосторонних и сложных связях с другими объектами. Субъект измерения (человек, выполняющий измерение) принципиально не может охватить объект целиком, во всем многообразии его свойств и связей. Поэтому его взаимодействие с объектом измерения возможно только на основе модели объекта. Модель объекта измерения строится в соответствии с целью измерения на основе априорной информации об объекте и условиях измерения. Построение адекватной модели объекта измерения является сложной и неформализуемой задачей.

Субъект измерения осуществляет выбор принципа, метода и средства измерений. Принцип измерения -- научно описанное явление (или эффект), положенное в основу метода измерения. Например, при эталонных измерениях электрического напряжения используется эффект Джозефсона, при измерении температуры -- термоэлектрический эффект, при измерении скорости -- эффект Доплера.

Метод измерения -- логическая последовательность операций, описанная в общем виде и применяемая для сравнения конкретного проявления свойства объекта со шкалой измерений этого свойства. Методы измерений весьма разнообразны и могут быть классифицированы по различным признакам. Зачастую методу измерения дается собственное название не потому, что он существенно отличается от известных методов, а лишь для удобства его практического использования.

Например, методы непосредственной оценки, противопоставления, замещения, совпадения, дифференциальный, нулевой методы являются, по существу, разновидностями метода сравнения с мерой.

Метод измерения реализуется с помощью средств измерений. Средством измерений называют объект, воспроизводящий и (или) хранящий какую-либо часть шкалы измерений (точку, участок) и предназначенный для выполнения измерений. Большинство средств измерений являются конструктивно законченными техническими устройствами. Каждое средство измерений имеет нормированные метрологические характеристики, которые оказывают влияние на качество результатов измерений.

Своеобразным средством измерений является человек, который использует свои органы чувств (осязание, обоняние, зрение, слух, вкус) при органолептических измерениях, интуицию -- при эвристических измерениях, знания и навыки -- при экспертных измерениях.

Важную роль в процессе измерения играют условия измерения -- совокупность влияющих величин, описывающих состояние окружающей среды и средства измерений. К влияющим относят величины, не измеряемые в конкретной процедуре измерения, но оказывающие влияние на его результаты (температура, давление, влажность, электрическое напряжение, частота питания в сети и др.). Отклонение от нормальных условий измерения приводит к изменению состояния объекта измерения и средства измерений, что может вызвать расширение интервала неопределенности (или появление дополнительной погрешности измерения).

Измерительный эксперимент является центральным элементом процедуры измерения. В узком смысле -- это отдельное, однократное измерение, которое часто называют наблюдением. В общем случае измерительный эксперимент содержит ряд последовательных операций по взаимодействию средства измерений с измеряемым объектом, получению, преобразованию и индикации сигналов измерительной информации, регистрации результатов наблюдений.

Завершает процедуру измерения операция обработки экспериментальных данных, включающая проведение вычислений согласно принятому алгоритму, получение результата измерения, оценку его точности и достоверности, запись результата и его неопределенности (или погрешности) в соответствии с установленной формой представления[5, c.12-14].

2. МЕТРОЛОГИЯ: КРАТКАЯ ИСТОРИЯ

метрология измерение точность испытание

Метрология зародилась в глубокой древности, когда начали формироваться первые государства, стала развиваться торговля, появилась необходимость выполнять достаточно большие общественные работы. Исторические памятники называют её возраст: более 6 тыс.лет.

На каждом этапе своего развития метрология решала собственные задачи, отражающие потребности общества. Вместе с этим менялось и само понятие метрологии. В дословном переводе с древнегреческого (от metron -- мера и 1оgos -- учение) метрология -- наука о мерах. Измерить величину -- значит сравнить ее с мерой.

Многие века меры были в основном антропометрическими (связанными с размерами человеческого тела -- пядь, фут, локоть, аршин, сажень) или обиходными (например, первоначально дюйм -- длина трех ячменных зерен, приставленных одно к другому своими концами). Раздробленность территорий и народов обусловила огромное разнообразие однородных мер. Так, к концу XVIII в. в разных странах существовало (округленно) 280 различных футов (мера длины), 390 фунтов (мера веса, в современном понимании -- мера массы). С развитием торговых и финансовых связей отсутствие единых мер стало вызывать существенные трудности.

Важным событием в развитии метрологии стало принятие Национальным собранием Франции в 1790 г. Декрета о реформе мер. В основу декрета легла предложенная группой академиков метрическая система мер. В качестве базовой была выбрана естественная мера длины, равная одной десятимиллионной доле четверти парижского меридиана, которая получила название метра. Второй (производной) мерой системы был назван килограмм, равный массе одного кубического дециметра чистой воды при температуре 4 °С. Были изготовлены (1799) и сданы на хранение в Архив Французской республики платиновые эталоны этих мер, названные «метром Архива» и «килограммом Архива».

К настоящему времени к Метрической конвенции присоединились 48 государств, в которых сосредоточено более 95% мирового промышленного капитала. День подписания Метрической конвенции -- 20 мая -- предложено отмечать как Всемирный день метрологии.

Главный элемент системы измерений в любой стране -- национальный метрологический институт (НМИ). В соответствии с Метрической конвенцией многие промышленные страны учредили или реорганизовали свои НМИ. Первыми среди них стали: Федеральный физико-технический институт РТВ Германии в 1887 г., Главная палата мер и весов России в 1893 г., Национальная физическая лаборатория NРL Великобритании в 1900 г., Национальное бюро стандартов NBS Соединенных Штатов Америки в 1901 г. (ныне -- Национальный институт стандартов и технологий NIST). К концу XIX в. все страны, подписавшие Метрическую конвенцию, получили национальные эталоны метра и килограмма, изготовленные в 1889 г. по единой технологии из платино-иридиевого сплава с наивысшей возможной для того времени точностью. Те прототипы этих эталонов, которые оказались наиболее близкими по своим значениям к архивным эталонам 1799 г., получили статус международных эталонов и поступили в Международное бюро мер и весов (МБМВ).

Развитие метрологии в России получило серьезный импульс с назначением в 1892 г. управляющим Дело образцовых мер и весов крупнейшего российского ученого Менделеева. По его инициативе Депо было преобразовано в Главную палату мер и весов (1893), ставшую одним из первых в мире национальных научных учреждений метрологического профиля. Под руководством Д.И. Менделеева была проведена работа по созданию комплекта российских эталонов и их международным сличениям, начала создаваться государственная метрологическая служба, реализована широкая программа научных исследований в области метрологии, проведена подготовка к внедрению в России метрической системы[5, c.15-17].

3. НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ СОВРЕМЕННОЙ МЕТРОЛОГИИ

Отечественные метрологи определяют сегодня метрологию как «науку об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства, а также способах достижения требуемой точности». Обычно метрологию представляют как науку и область деятельности, включающую три взаимосвязанных раздела -- теоретический, законодательный и прикладной.

Теоретическая (фундаментальная) метрология изучает и разрабатывает ее научные основы. Предметами этого раздела являются: теория измерений, теория шкал измерений, проблемы установления систем единиц измерений, теория исходных средств измерений (эталонов) и передачи шкал и размеров единиц, вопросы использования в метрологии фундаментальных физических постоянных, теория точности измерений и др.

Законодательная метрология включает взаимосвязанные юридические и научно-технические вопросы, которые нуждаются в регламентации со стороны государства с целью обеспечения единства измерений. Ключевыми документами законодательной метрологии являются: Закон РФ «Об обеспечении единства измерений» и стандарты Государственной системы обеспечения единства измерений -- ГСИ. Основными понятиями служат: «методика выполнения измерений»; «испытание, метрологическая аттестация, поверка и сертификация средств измерений»; «метрологический контроль и надзор».

Прикладная (практическая) метрология изучает и разрабатывает вопросы практического применения положений теоретической и законодательной метрологии. Предметом прикладной метрологии являются все виды работ, проводимых в сферах распространения государственного метрологического контроля и надзора.

В последние десятилетия метрология активно проникала в новые для себя области: испытания и контроль качества продукции, кибернетика и системотехника, здравоохранение и охрана окружающей среды, экономика, социология и психология, педагогика и спорт, дегустация (вин, парфюмерных веществ). На очереди измерения таких свойств, как блеск, глянец, запах, вкус и др. Стали измерять не только величины, включенные в международную систему единиц (57), но и те свойства, которые не описываются физическими законами. Более того, некоторые из измеряемых свойств не являются величинами, т. к. носят не количественный, а качественный характер. Появились новые измерительные процедуры (вплоть до «статистических» и «мягких» измерений), которые не укладываются в рамки традиционной («классической») метрологии. В практику измерений начинают входить такие понятия, как «нечеткая логика», «нейронные сети», «генетические алгоритмы». Все большую актуальность приобретает энтропийный подход к оценке точности результатов измерений. Многогранность метрологии определила ее особое место в системе наук. Главной особенностью метрологии, выделяющей ее среди других естественных наук, является большое количество принципиальных положений, установленных условно, по соглашению: выбор системы единиц, размеры основных единиц, методики выполнения измерений, нормальные условия проведения измерений, нормируемые метрологические характеристики средств измерений и др.[5, c. 18-19].

4. ПОНЯТИЕ ОБ ИЗМЕРЕНИЯХ

Метрология -- наука об измерениях, о методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Под единством измерений понимают такое их состояние, при котором результаты измерений выражены в узаконенных единицах величин, и погрешности измерений не выходят за установленные границы с заданной вероятностью.

Метрология изучает широкий круг вопросов, связанных как с теоретическими проблемами (теоретическая метрология), так и с задачами практики (практическая метрология). К основным разделам метрологии относятся: общая теория измерений, единицы физических величин и их системы, методы и средства измерений физических величин, методы оценки точности измерений, методы эталонирования. На основании теоретических положений метрологии обоснованы и стандартизированы практические рекомендации, регламентирующие все стороны измерений (законодательная метрология).

Измерениями называют совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, которые обеспечивают нахождение соотношения измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины. Таким образом, измерение можно определить как экспериментальное нахождение отношения измеряемой физической величины к другой однородной величине, принятой за единицу. Физической величиной называют свойство, общее в качественном отношении для многих объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого. Например, физическими величинами являются длина, электрический ток, напряжение, индуктивность. Количественное содержание физической величины, характеризующее конкретный объект, называют размером физической величины (размером величины). Оценку физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц называют значением физической величины.

Для обозначения частных особенностей физических величин применяют термин параметр. Например, конденсатор характеризуют емкостью, а его параметрами можно считать тангенс угла потерь, температурный коэффициент емкости, индуктивность вводов. Иногда параметром называют измеряемую физическую величину -- амплитуду, фазу, частоту.

Различают истинное, действительное и измеренное значения физической величины. Истинное значение идеальным образом отражает в количественном и качественном отношениях соответствующие свойства объекта, и его стараются найти при измерениях. Однако из-за неизбежных погрешностей измерений истинное значение получить не удается. На практике вместо истинного значения экспериментально определяют действительное значение, настолько приближающееся к истинному значению, что может быть использовано вместо него. Измеренное значение получают по данным эксперимента.

Средства измерений. Применяемое при измерениях техническое средство, имеющее нормированные метрологические характеристики (характеристики, влияющие на точность измерений), воспроизводящее или хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени, называют средством измерений (СИ). К средствам измерений относят эталоны физических величин, меры, измерительные приборы, измерительные преобразователи, измерительно-вычислительные комплексы (ИВК), компьютерно-измерительные системы (КИС) и измерительные информационные системы (ИИС).

Измерительный преобразователь -- структурный элемент более сложных средств измерений, имеющий самостоятельные метрологические характеристики. Различают первичные, передающие, промежуточные и масштабные преобразователи. Первичные преобразователи называют датчиками.

На основе нескольких измерительных преобразователей создают измерительные приборы и меры. Измерительный прибор предназначен для образования выходного сигнала в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Измерительные приборы делят на аналоговые и цифровые. Показание аналогового прибора является непрерывной функцией измеряемой величины. К аналоговым относят, например, приборы со стрелочными указателями. Цифровые приборы вырабатывают дискретный сигнал измерительной информации в цифровой форме.

Мера служит для воспроизведения физической величины заданного размера. Так, мерами являются образцовая катушка индуктивности или образцовый конденсатор переменной емкости.

Измерительно-вычислительные комплексы представляют собой совокупность средств измерений и компьютера, объединенных с помощью устройств сопряжения и предназначенных для измерений, научных исследований и расчетов. Такие же функции выполняют КИС, построенные на основе компьютеров, дополненных измерительными модулями.

Измерительные информационные системы -- совокупность функционально объединенных измерительных, вычислительных и других вспомогательных технических средств, предназначенных для получения измерительной информации, ее преобразования и обработки в целях представления в удобном потребителю виде либо автоматического осуществления контроля, диагностики или идентификации. В настоящее время получают распространение приборы, состоящие из персонального компьютера, дополненного платой сбора данных, содержащей аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) и образцовые меры. Плата обеспечивает преобразование аналогового измерительного сигнала в цифровой, функции его обработки выполняет компьютер. Для наглядного отображения информации и удобства управления процессом измерений на экране монитора воспроизводят лицевую панель измерительного прибора со всеми элементами настройки, управление которыми производят с клавиатуры компьютера или «мышью». Такие приборы называются виртуальными.

Классификация измерений. По способу получения результата измерения подразделяют на прямые, косвенные, совместные и совокупные.

Прямыми называются измерения, при которых искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных. К ним, например, относится измерение напряжения с помощью вольтметра или измерение интервала времени с помощью измерителя временных интервалов.

При косвенных измерениях искомое значение У величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами Х_ь Х₂, ..., Х_п, измеряемыми посредством прямых измерений: У = Х₂, ..., Х_п).

Например, к косвенным относится измерение рассеиваемой на резисторе мощности Р = II²/Я по результатам прямых измерений напряжения [I и сопротивления резистора К.

Совместные измерения состоят в одновременном измерении двух или нескольких неодноименных величин для нахождения зависимости между ними. Примером совместных измерений может служить получение зависимости сопротивления резистора от его температуры.,

Совокупными называют производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомое значение находят из решения системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин. Измерения, связанные с обработкой измерительной информации, такие как косвенные, совместные и совокупные, часто выполняют с помощью средств измерений, сопряженных со средствами вычислительной техники, например ИВК или КИС. В этом случае процессы получения экспериментальных данных и их обработка автоматизированы, на отсчетном устройстве индицируется результат расчетов.

Погрешности измерений. Значение измеряемой величины наблюдатель оценивает по показанию СИ, которое считывают с показывающего (отсчетного) устройства. В цифровых приборах это цифровое табло (дисплей). В приборах со стрелочным указателем показание отсчитывают по ближайшей к стрелке отметке шкалы, иногда учитывают и доли деления, применяя интерполяцию на глаз.

По показанию определяют результат измерений -- значение физической величины, полученное путем ее измерения и представленное неименованным или именованным числом. Если измерения произведены один раз (однократно) и их не требуется корректировать, то показание часто принимают за результат измерений.

В общем случае результат может отличаться от показания. Это имеет место при проведении многократных измерений, когда результат измерений получают, например, как среднеарифметическое результатов отдельных измерений. Совместно с результатом измерений в случае необходимости приводят и данные, характеризующие условия проведения эксперимента, а также погрешности.

Отклонение результата измерений х от истинного значения X измеряемой величины называется абсолютной погрешностью результата измерений или абсолютной погрешностью измерений

А = х - X.(1.1)

Это соотношение является исходным для теоретического анализа погрешностей. На практике же из-за невозможности определить истинное значение вместо него берут действительное значение измеряемой величины, например среднеарифметическое результатов многократных измерений. Погрешность измерений иногда удобно характеризовать ее относительным значением. Поскольку абсолютная погрешность мала по сравнению с результатом измерений, то можно считать х « X. Относительную погрешность чаще всего выражают в процентах, иногда в децибелах. Измерения можно характеризовать их точностью -- близостью результата измерения к истинному значению. Точность измерений является качественной величиной: чем выше точность, тем с меньшей погрешностью проведены измерения. Понятие точности используется для сравнительной качественной характеристики различных измерений или СИ. В литературе иногда встречается и количественное определение точности как обратной величины модуля относительной погрешности. Так, если 5 = Ю^-3, то точность равна 10³. Чем выше точность, тем с меньшей погрешностью произведено измерение. По точности измерения подразделяются на лабораторные и технические. Лабораторные (метрологические, эталонные) измерения преимущественно проводят при научных исследованиях и принимают меры повышения точности, например, посредством многократных измерений. Погрешности измерений находят в ходе самого эксперимента или при обработке его результатов. Лабораторные измерения обычно проводит персонал высокой квалификации.

Технические измерения осуществляют в заданных условиях по определенной методике выполнения измерений. Методику заранее разрабатывают, причем в ней нормируют (задают) погрешности. В ходе самих измерений никаких исследований погрешностей не проводят, ее оценивают по паспортным данным средств измерений. Нормированные таким способом погрешности справедливы для любого случайным образом выбранного экземпляра средств измерений данного типа. Технические измерения являются массовыми, их часто проводит персонал средней квалификации. Погрешность технических измерений в зависимости от характеристик применяемых средств измерений и методики измерений меняется в широких пределах. С наименьшей относительной погрешностью 10~⁶... 10~⁹ могут быть измерены временные параметры сигнала, например частота или временные интервалы. Погрешность измерений на СВЧ может достигать 10...20 %[7, c.8- 9].

5. СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

Средства измерений классифицируют по принципам действия, построения и виду измеряемой величины. Важное значение имеют их метрологические характеристики.

Электромеханические и электронные приборы. Используемые при электрорадиоизмерениях приборы по принципу действия можно разделить на электромеханические и электронные. К электромеханическим относят приборы, основанные на взаимодействии полей, чаще всего магнитных. Электромеханические приборы применяют в основном для измерений в цепях постоянного тока и токов промышленной частоты, обычно с погрешностью 1...4%. Существуют и более точные электромеханические приборы, обеспечивающие погрешность 0,1 ...0,2 %. Достижение такой точности связано со значительным удорожанием приборов.

Электромеханические приборы магнитоэлектрической системы используются в измерительной практике как составная часть тестеров для измерений напряжения, тока и сопротивления на постоянном токе или на низких частотах.

При радиотехнических измерениях применяют электронные приборы, построенные на основе активных элементов: транзисторов, диодов и интегральных микросхем. В аналоговых электронных приборах в качестве показывающего устройства часто используют магнитоэлектрические приборы или электронно-лучевые трубки (ЭЛТ), а в цифровых -- различные цифровые показывающие устройства. Измерительные приборы прямого преобразования и сравнения. Измерительные приборы характеризуют функцией преобразования -- зависимостью выходного сигнала у от входного х, т.е. у = /(х) в статическом режиме при неизменном во времени измерительном сигнале. В литературе функцию преобразования часто называют градуировочной характеристикой. По принципу построения различают измерительные приборы прямого преобразования и средства сравнения. Приборы прямого преобразования реализуют метод непосредственной оценки измеряемой величины. Они состоят из последовательно соединенных измерительных преобразователей. Для описания линейных преобразователей удобно пользоваться коэффициентом передачи. Общий коэффициент передачи прибора прямого преобразования.

Рис. 1.1. Структурная схема прибора прямого преобразования

Средства измерений сравнения реализуют метод сравнения измеряемой величины с величиной, воспроизводимой мерой. Их строят по структурной схеме, показанной на рис. 1.2. Цепь прямого преобразования, состоящая из последовательно включенных измерительных преобразователей, охвачена отрицательной связью. Обратную связь реализует преобразователь обратной связи. управляющий мерой. Сравнивающее устройство обычно производит вычитание сигнала обратной связи х_{а с} из входного сигнала х, так что выходной сигнал средства измерений

у = Кп(х-хос).(1.2)

Средства измерений сравнения могут быть реализованы с полным и неполным уравновешиванием. При полном уравновешивании х = х_ос и, следовательно, у = х/К_0С, а коэффициент передачи

К= 1/К_ос.(1.3)

Коэффициент передачи такого средства измерений полностью определяется коэффициентом обратной связи К_ос и не зависит от коэффициента передачи цепи прямого преобразования. Метод измерений, при котором х = х_ос, называют нулевым.

Если уравновешивание неполное, то реализуется дифференциальный метод, при котором измеряется разность х - х_{0 с}. При этом выходной сигнал получают из совместного решения уравнений (1.3) и (1.4):

У - Кпх/(1 + КпКос).(1.4)

Обычно К_пК_{о с} > 1, поэтому у ~ х/К_{0 С}, и К а 1 /К_{о с}. Следовательно, коэффициент передачи прибора сравнения практически не зависит от коэффициента передачи цепи прямого преобразования, а определяется цепью обратного преобразования. Метод замещения основан на сравнении измеряемой величины с мерой известной величины.

Средства измерений чаще всего имеют комбинированную структуру и содержат несколько внутренних цепей обратной связи, а также преобразователи, не охваченные обратной связью.

Система обозначений средств измерений. Электронные радиоизмерительные средства измерений обозначают несколькими символами. Первый символ -- буква русского алфавита -- характеризует измеряемый параметр или назначение средства измерений. Так, буквой В обозначают вольтметры, буквой Ч -- частотомеры, С -- осциллографы, Ф -- фазометры, М -- ваттметры, Г -- генераторы.

Второй символ в обозначении прибора -- цифра -- конкретизирует назначение прибора. В каждой подгруппе приборы подразделяют на несколько видов в зависимости от выполняемой функции. Например, в подгруппе В различают: В1 --установки или приборы для поверки вольтметров; В2 -- вольтметры постоянного тока; ВЗ -- вольтметры переменного тока; В4 -- импульсные вольтметры.

Третий символ указывает номер модели. В комбинированных приборах после буквы, обозначающей основной измеряемый параметр, добавляют букву К. Если прибор подвергался модификации, то после номера модели добавляют букву А, а если модификаций было две, то добавляют букву Б.

Принятая классификация не распространяется на некоторые электроизмерительные приборы и эталонными средства измерений. Так, вольтметры, частотомеры и другие измерительные приборы в этом случае обозначают буквами Р, Ф или Щ и несколькими цифрами, от двух до четырех. Одной и той же буквой могут обозначаться приборы разного назначения, например Ф4327 -- анализатор спектра, Ф200 -- цифровой вольтметр, Ф4206 -- цифровой омметр, Ф5034 -- частотомер[7, c.10- 11].

6. МЕТРОЛОГИЧЕСКАЯ СЛУЖБА

Для решения основной задачи метрологии -- обеспечения единства измерений -- существует метрологическая служба. Ее организационная структура включает в себя сеть научно-исследовательских метрологических институтов, промышленных предприятий и центров стандартизации и метрологии, рассредоточенных по территории страны для метрологического обслуживания измерительной техники без массовых дальних перевозок.

Меры обеспечения единства измерений. Для обеспечения единства измерений реализуют следующие научно-технические, методические и административные мероприятия:

14. использование законодательно установленной системы единиц физических величин, разрешенных для применения. Она основана на системе единиц СИ, дополненной некоторыми другими единицами;

15. разработка и применение эталонов единиц физических величин, воспроизводящих единицы в соответствии с их определением. Парк эталонов составляет материальную основу обеспечения единства измерений и повышения их точности;

16. использование только аттестованных данных о физических константах и физико-химических свойствах материалов и веществ;

17. государственные испытания при разработке, выпуске и импорте приборов. К обращению в стране допускаются только приборы при условии удовлетворения ими определенных метрологических требований;

18. периодическая поверка находящихся в обращении средств измерений. Изъятие из обращения неисправных приборов;

19. измерения и поверка приборов строго в соответствии с аттестованными методами измерений и поверки. Погрешность измерений должна быть известна;

20. метрологический надзор и контроль над состоянием и применением средств измерений.

Нормативно-правовой основой метрологического обеспечения научной и производственной деятельности является Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Она представляет собой совокупность нормативно-технических документов, регламентирующих номенклатуру единиц физических величин, методы воспроизведения заданного размера физических величин, их передачу рабочим средствам измерений, метрологические характеристики средств измерений, оформление и представление средств измерений. Основными документами являются государственные стандарты. Более низкий статус имеют руководящие документы, рекомендации, правила и технические условия.

Система единиц. В нашей стране, как и в большинстве стран мира, принята Международная система единиц СИ. Основными единицами системы являются метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, кандела, моль, а дополнительными -- радиан, стерадиан. Производные единицы -- вольт, ватт, джоуль и другие -- образуют из основных и дополнительных на основе зависимостей, связывающих эти параметры. Например, количество электричества определяют произведением тока на время. Допускаются к использованию и широко распространены также некоторые другие единицы, которые оказались удобными в некоторых областях или сохранились в силу традиций. К таким единицам относятся единицы плоского угла (градус, минута, секунда), единица давления (мм рт. ст.).

Эталоны единиц физических величин. Для обеспечения единства измерений следует иметь средства измерений, воспроизводящие и хранящие размеры единиц физических величин, а также передавать эти единицы рабочим средствам измерений. Воспроизведение физических величин с высшей точностью осуществляют с помощью эталонов единиц физических величин, обеспечивающих единообразие мер и единство измерений.

В зависимости от их назначения различают несколько видов эталонов. Первичным называют эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы физической величины с наивысшей в стране точностью. Специальные эталоны воспроизводят единицу в особых условиях, в которых первичный эталон неработоспособен. Например, первичный эталон воспроизводит единицу ЭДС и напряжения на постоянном токе. Эталоны ЭДС и напряжения для диапазонов частот 20 Гц ... 30 МГц и 30 МГц ... 3 ГГц являются специальными. Эталоны, воспроизводящие единицу одной и той же физической величины в разных диапазонах частот, значительно отличаются по своей структуре и могут строиться на различных принципах измерений.

Первичные или специальные эталоны, официально утвержденные в качестве исходных для страны, называют государственными.

Прикладная метрологическая деятельность осуществляется обычно с помощью вторичных эталонов, эталонов-свидетелей, эталонов сравнения и рабочих эталонов.

Эталон-свидетель служит для проверки сохранности государственного эталона или его замены в случае порчи или утраты. Эталон сравнения предназначен для передачи воспроизводимого первичным эталоном размера при сличении (сравнении) эталонов, которые не могут быть сличены друг с другом из-за невозможности их перевозки. [7, c.11- 12]. Рабочий эталон предназначен для передачи размера физической единицы рабочим средствам измерений. В литературе встречается и устаревшее название рабочих эталонов -- образцовые средства измерений.

Возрастающие требования к точности измерений в различных областях народного хозяйства стимулируют создание новых специальных эталонов и увеличение точности уже существующих. При разработке эталонов стремятся использовать стабильные физические явления и процессы, воспроизведение которых обеспечивается фундаментальными законами физики и мало зависит от конкретных особенностей построения эталонов. Примером такого подхода является утвержденный в 1983 г. Государственный первичный эталон времени и частоты, основанный на резонансном поглощении электромагнитной волны атомами цезия.

Эталоны различных физических величин стараются строить так, чтобы они образовывали взаимосвязанную систему. Такие связи устанавливаются за счет использования первичных эталонов основных физических величин. Например, специальные эталоны мощности электромагнитных колебаний на СВЧ и мощности в оптическом диапазоне связаны между собой, так как их аттестуют по напряжению и сопротивлению на постоянном токе. Эталоны одной и той же физической величины для разных диапазонов частот сличают на перекрывающихся границах рабочих диапазонов.

7. ГОСУДАРСТВЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ, ПОВЕРКА И РЕВИЗИЯ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

Важнейшими мерами по обеспечению определенного метрологического уровня разрабатываемых, выпускаемых и находящихся в эксплуатации средств измерений являются испытания, поверка и ревизия.

Государственные испытания. Государственным испытаниям подвергают образцы средств измерений, предназначенных к серийному производству, а также ввозу из-за границы. В ходе испытаний устанавливают соответствие реальных метрологических характеристик средств измерений техническим нормам и современному уровню развития измерительной техники.

Существуют приемочные и контрольные испытания. Государственным приемочным испытаниям подвергают опытные образцы средств измерений нового типа, предназначенных для серийного производства, а также образцы средств измерений, ввозимых из- за границы. Положительные результаты приемочных испытаний служат основанием для выдачи разрешения на серийное производство средств измерений, а для импортируемых средств измерений -- на ввоз партии.

Цель контрольных испытаний заключается в проверке соответствия характеристик уже выпускаемых или импортируемых средств измерений требованиям нормативно-технической документации. Контрольные испытания проводят по истечении срока действия разрешения на серийное производство средств измерений, при внесении изменений в конструкцию и технологию производства средств измерений, влияющих на метрологические характеристики. По результатам контрольных испытаний принимают решение о продолжении выпуска, об устранении обнаруженных недостатков или о запрещении выпуска.

Поверка и ее виды. Поверкой средств измерений называют установление органами государственной метрологической службы пригодности СИ к применению на основании экспериментально определяемых метрологических характеристик и подтверждения их соответствия установленным обязательным требованиям. По результатам поверки делают вывод о пригодности или непригодности средств измерений к эксплуатации.

Различают государственную и ведомственную поверку. Государственной поверке подлежат рабочие эталоны, средства измерений, используемые при проведении государственных испытаний, а также средства измерений, используемые при учете материальных ценностей, топливно-энергетических ресурсов, в торговле и медицине. Конкретная номенклатура средств измерений, подлежащих государственной поверке, утверждается Госстандартом.

Ведомственную поверку проходят все находящиеся в эксплуатации средства измерений, не подлежащие государственной поверке. Не подвергаются поверке средства измерений, используемые в учебных целях, а также применяемые как индикаторы для установления не количественных соотношений, а только факта изменения значения физической величины.

Поверку средств измерений проводят при их выпуске, после ремонта, при вводе в эксплуатацию после длительного срока хранения, при проведении инспекции или экспертизы.

Для поддержания средств измерений в исправном состоянии важнейшее значение имеет периодическая поверка. Эксплуатационные свойства средств измерений зависят от их надежности -- способности сохранять свои характеристики в заданных пределах в течение определенного интервала времени. Надежность характеризуют вероятностью безотказной работы средств измерений. Отказы в радиоизмерительной аппаратуре проявляются в частичной или полной потере свойств прибора и по характеру проявления делятся на явные и скрытые.

Явные отказы обычно возникают внезапно, и их сразу же обнаруживает оператор. Прибор снимают с эксплуатации и ремонтируют. Скрытые отказы проявляются в постепенном ухудшении метрологических характеристик прибора. Оператор этого не замечает, и с момента появления скрытого отказа эксплуатируется неисправный прибор. Поэтому скрытые отказы наиболее опасны. [7, c.15- 18].

ВЫВОДЫ

1. Метрология-наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и требуемой точности.

2. Метрология зародилась в глубокой древности, когда начали формироваться первые государства, стала развиваться торговля, появилась необходимость выполнять достаточно большие общественные работы.

3. Метрологию представляют как науку и область деятельности, включающую три взаимосвязанных раздела -- теоретический, законодательный и прикладной.

4. К основным разделам метрологии относятся: общая теория измерений, единицы физических величин и их системы, методы и средства измерений физических величин, методы оценки точности измерений, методы эталонирования.

5. Средства измерений классифицируют по принципам действия, построения и виду измеряемой величины. Важное значение имеют их метрологические характеристики.

Список использованной литературы

1. Коротков В. П., Тайц Б. А. «Основы метрологии и теории точности измерительных устройств». М.: Изд-во стандартов, 1978. 351 с.

2. А. И. Якушев, Л. Н. Воронцов, Н. М. Федотов. «Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения»: - 6-е изд., перераб. и дополн. - М.: Машиностроение, 1986. - 352 с., ил.

3. В. В. Бойцова «Основы стандартизации в машиностроении». М.: Изд-во стандартов. 1983. 263 с.

4. Метрология. Основные понятия и математические модели: Учебное пособие для вузов/ Н.Г, Назаров.-М.: Высш. шк., 2002-348с.: ли.

5. Метрология и радиоизмерения: Учебное пособие для студентов высш. учебн. заведений/Б.В. Дворяшин.-М.: Издательский центр « Академия» , 2005.-304с.

6. Сергеев А.Г., Крохин В. В. Метрология: Учебн.пособие для вузов.- М.: Логос, 2000.-408с.: ил.

7. Дегтярев А.А , Летягин В.А.,Погалов А.И., Угольников С.В. Метрология: Учебное пособие для вузов/ Под ред. А.А. Дегтярева-М: Академический Проект, 2006.-256с.-(«Gaudeamus»)

8. Метрология, стандартизация и сертификация: Учебн.для вузов/Я.М. Радкевич, А.Г. Схиртладзе,Б.И. Лактионов.-М.: Высш. шк.,2004.-767с.: ил.

9. Метрология, стандартизация, сертификация Учебн. пособие/ А.Д. Никифоров, Т.А. Бакиев,-М.: Высш. школа, 2002.- 422с.: ил.

10.Стандартизация, метрология, сертификация:Учебник.-6-е изд., перераб, и доп.-М. : Юрайт-Издат., 2006.-350с.-(Основы наук).

11. Основы стандартизации, сертификации, метрологии: Учебник для вузов.- 3-е изд., перераб. и доп.- М.: ЮНИТИ_ Дана, 2005.-671с.

Размещено на Allbest.ru