Метрология и технические измерения

 

Общие сведения. Законодательная база метрологии

 

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

Таким образом, метрология включает три взаимосвязанные проблемы: реализация процессов измерения; обеспечение их единства; методы и средства измерений.

Основными задачами метрологии:

 

• установление единиц физических величин;
• установление государственных эталонов и средств измерений;
• разработка теории, методов и средств измерения и контроля;
• обеспечение единства измерений;
• разработка методов оценки погрешностей, состояния средств измерения и контроля;
• разработка методов передачи размеров единиц от эталонов рабочим средствам измерений.

 

Законодательная база метрологии включает следующие основные документы:

 

• Закон РФ "Об обеспечении единства измерений"
• РМГ 29-99. "Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Основные термины и определения."
• МИ 2247-93 ГСИ." Метрология. Основные термины и определения."
• ГОСТ 8.417-2002 "ГСИ. Единицы физических величин."
• ПР 50.2.006-94 "ГСИ. Поверка средств измерений. Организация и порядок проведения."
• ПР 50.2.009-94 "ГСИ. Порядок проведения испытаний и утверждения типа средств измерения "
• ПР 50.2.014-94 "ГСИ. Аккредитация метрологических служб юридических лиц на право поверки средств измерений."
• МИ 2277-94 "ГСИ. Система сертификации средств измерений. Основные положения и порядок проведения работ."
• ПР 50.2.002-94 "ГСИ. Порядок осуществления государственного метрологического надзора за выпуском, состоянием и применением средств измерений, аттестованными методиками выполнения измерений, эталонами и соблюдением метрологических правил и норм."

 

Закон "Об обеспечении единства измерений" осуществляет регулирование отношений, связанных с обеспечением единства измерений в Российской Федерации, в соответствии с Конституцией РФ. В Законе устанавливаются: основные применяемые понятия, такие как: организационная структура государственного управления обеспечением единства измерений; нормативные документы по обеспечению единства измерений; единицы величин и государственные эталоны единиц величин; средства и методики измерений. Закон устанавливает Государственную метрологическую службу и другие службы обеспечения единства измерений, метрологические службы государственных органов управления и юридических лиц, а также виды и сферы распределения государственного метрологического контроля и надзора. Закон отражает установление в РФ рыночных отношений, определяя основы деятельности метрологических служб государственных органов управления и юридических лиц. Вопросы деятельности структурных подразделений метрологических служб на предприятиях выведены за рамки законодательной метрологии и регулируются экономическими методами.

 

Виды и методы измерений

 

Измерение - процесс нахождения значения физической величины опытным путем с помощью средств измерения.

Результатом процесса является Q значение физической величины

Q = qU,

где q - числовое значение физической величины в принятых единицах;

U - единица физической величины.

Значение физической величины Q, найденное при измерении, называют действительным.

При контроле определяют соответствие действительного значения физической величины Q установленным.

Q ⸦ Т    Q ⸦ Т

Контрольными средствами являются калибры, шаблоны, устройства с электроконтактными преобразователями и т.д.

Нормативно-правовой основой метрологического обеспечения точности измерений является государственная система обеспечения единства измерений и она обозначается ГСИ.

Принцип измерений - физическое явление или совокупность физических явлений, положенных в основу измерений.

Метод измерений - совокупность приемов использования принципов и средств измерений.

Средствами измерений (СИ) являются используемые технические средства, имеющие нормированные метрологические свойства.

Измерения могут быть классифицированы по ряду признаков:

 

1. По способу получения информации.

2. По характеру изменений измеряемой величины в процессе измерения.

3. По количеству измерительной информации по отношению к основным единицам.

1. По способу получения информации измерения разделяют на прямые, косвенные, совокупные и совместные измерения.

Прямые - это измерения, при которых искомое значение физической величины находят непосредственно из опытных данных.

Прямые измерения можно выразить формулой

Q = X,

где Q - искомое значение измеряемой величины,

X - значение, непосредственно получаемое из опытных данных.

Примерами таких измерений являются: измерение длины линейкой или рулеткой, измерение диаметра штангенциркулем или микрометром, измерение угла угломером, измерение температуры термометром и т.п.

Косвенные - это измерения, при которых значение величины определяют на основании известной зависимости между искомой величиной и величинами, значения которых находят прямыми измерениями.

Значение измеряемой величины вычисляют по формуле

Q = F (x 1, x 2... xN),

где Q - искомое значение измеряемой величины;

F - известная функциональная зависимость,

x 1, x 2, …, xN - значения величин, полученные прямыми измерениями.

Примеры косвенных измерений: определение объема тела по прямым измерениям его геометрических размеров, нахождение удельного электрического сопротивления проводника по его сопротивлению, длине и площади поперечного сечения, измерение среднего диаметра резьбы методом трёх проволочек и т.д. Косвенные измерения широко распространены в тех случаях, когда искомую величину невозможно или слишком сложно измерить прямым измерением. Встречаются случаи, когда величину можно измерить только косвенным путём, например размеры астрономического или внутриатомного порядка.

Совокупные - это такие измерения, при которых значения измеряемых величин определяют по результатам повторных измерений одной или нескольких одноименных величин при различных сочетаниях мер или этих величин. Значение искомой величины определяют решением системы уравнений, составляемых по результатам нескольких прямых измерений.

Примером совокупных измерений является определение массы отдельных гирь набора, т.е. проведение калибровки по известной массе одной из них и по результатам прямых измерений и сравнения масс различных сочетаний гирь. Рассмотрим пример совокупных измерений, который заключается в проведении калибровки разновеса, состоящего из гирь массой 1, 2, 2*, 5, 10 и 20 кг. Ряд гирь (кроме 2*) представляет собой образцовые массы разного размера. Звездочкой отмечена гиря, имеющая значение, отличное от точного значения 2 кг. Калибровка состоит в определении массы каждой гири по одной образцовой гире, например по гире массой 1 кг. Меняя комбинацию гирь, проведем измерения. Составим уравнения, где цифрами обозначим массу отдельных гирь, например 1обр обозначает массу образцовой гири в 1 кг, тогда: 1 = 1обр + a; 1 + 1обр = 2 + b; 2* = 2 + c; 1 + 2 + 2* = 5 + d и т.д. Дополнительные грузы, которые необходимо прибавлять к массе гири указанной в правой части уравнения или отнимать от неё для уравновешивания весов, обозначены a, b, c, d. Решив эту систему уравнений, можно определить значение массы каждой гири.

Совместные - это измерения, производимые одновременно двух или нескольких разноименных величин для нахождения функциональной зависимости между ними.

Примерами совместных измерений являются определение длины стержня в зависимости от его температуры или зависимости электрического сопротивления проводника от давления и температуры.

 

2. По характеру изменений измеряемой величины в процессе измерения бывают статистические, динамические и статические измерения.

Статистические измерения связаны с определением характеристик случайных процессов звуковых сигналов, уровня шумов и т.д.

Статические измерения - это измерения, при которых измеряемая величина остается постоянной во времени.

Такими измерениями являются, например, измерения размеров изделия, величины постоянного давления, температуры и др.

Динамические измерения - это измерения, в процессе которых измеряемая величина изменяется во времени.

Например, измерение давления и температуры при сжатии газа в цилиндре двигателя.

3. По количеству измерительной информации различают однократные и многократные измерения.

Однократные измерения – это одно измерение одной величины, т.е. число измерений равно числу измеряемых величин.

Практическое применение такого вида измерений всегда приводит к большим погрешностям, поэтому следует проводить не менее трех однократных измерений и находить конечный результат как среднее арифметическое значение.

Многократные измерения характеризуются превышением числа измерений количества измеряемых величин.

Обычно минимальное число измерений больше трех. Преимущество многократных измерений – в значительном снижении влияний случайных факторов на погрешность измерения.