Учебные задачи

• 1. Изучить классификацию измерений и измерительных приборов.
• 2. Изучить статические и динамические погрешности измерений и методы их оценки.
• 3. Обосновать статические погрешности измерительных приборов.
• 4. Составить представление о динамических характеристиках и погрешностях приборов.
• 5. Изучить подходы к оптимальному проектированию измерительного канала приборов.
• 6. Оценить методы определения погрешностей средств измерений в реальных условиях эксплуатации.
• 7. Составить представление об определении погрешностей измерительных каналов автоматических систем контроля.

Тема главы

Рассмотрены инструменты количественной оценки качественных преобразований развития систем «Метрология», «Стандартизация» и «Сертификация» как институтов качества.

Классификация измерений и измерительных приборов

Измерить какую-либо величину - значит сравнить ее с другой однородной величиной (мерой), принятой за единицу.

Число q, выражающее отношение измеряемой величины 0 к единице измерения?/, называется числовым значением измеряемой величины:

q = ^ или 0 = qU.

Уравнение (4.1.1) является основным уравнением измерения: его правая часть называется результатом измерения.

Результат измерения - всегда именованное число и состоит из единицы измерения и, которая имеет свое наименование, и числа q, показывающего, сколько раз данная единица содержится в измеряемой величине 0.

При измерении физических величин не всегда возможно непосредственно сравнивать измеряемую величину с мерой, и в этих случаях измерение производится сравнением с какой-либо другой физической величиной, однозначно связанной с измеряемой (например, измерение температуры производится по величине электрического сопротивления).

Измерения делятся на прямые, косвенные и совокупные.

Прямыми измерениями называются такие, при которых значение измеряемой величины определяется непосредственным сравнением ее с мерами или показаниями измерительных приборов, градуированных в выбранных единицах измерения.

Основные методы прямых измерений: непосредственного определения, компенсационный (нулевой) и дифференциальный (разностный).

Методом непосредственного определения значение измеряемой величины прямо преобразуется в выходную величину прибора, т. е. приборы непосредственно показывают (или записывают) измеряемую величину. Метод непосредственного определения широко используется в приборах промышленного контроля.

Компенсационный (нулевой) метод состоит в уравновешивании неизвестной измеряемой величины известной. Значение измеряемой величины находится после достижения равновесия по значению уравновешивающей (известной) величины. Момент равновесия фиксируется устройством или прибором, называемым нуль-индикатором. К числу приборов, основанных на компенсационном методе, относятся потенциометры, уравновешенные мосты, дифманометры с силовой компенсацией и др.

Компенсационный метод более точен, чем метод непосредственного определения.

Дифференциальный (разностный) метод заключается в том, что прибором определяется разность между измеряемой и некоторой известной (образцовой) величиной, после чего измеряемая величина находится путем алгебраического сложения.

Существенный признак прямого измерения - результат выражается в тех же единицах, что и измеряемая величина.

Косвенными измерениями измеряемая величина определяется не непосредственно, а на основании данных прямых измерений величины, связанной с искомой определенным соотношением.

Примеры косвенных измерений - определение плотности по массе и объему или расхода по перепаду давления.

Косвенные измерения широко применяются в практике контроля производственных процессов, когда прямые измерения невозможны.

При совокупных измерениях числовые значения измеряемой величины определяются путем решения ряда уравнений, полученных из совокупности прямых измерений одной или нескольких однородных величин.

Совокупные измерения применяются в лабораторной и исследовательской практике.

Измерения могут быть также классифицированы:

• по характеристике точности - равноточные (ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности измерительными приборами в одних и тех же условиях, в противном случае измерения признаются неравноточными);
• по числу измерений и роду измерений - однократные, многократные;
• по отношению к изменению измеряемой величины: статические (время = const) и динамические (время = varia);
• по выражению результата измерения: абсолютные (в единицах измеряемой величины) и относительные (в относительных единицах, как правило, в процентах).

Измерительными приборами называются устройства, служащие для прямого или косвенного сравнения измеряемой величины с единицей измерения.

При централизованном контроле любой измерительный прибор (измерительная система) состоит из трех основных узлов: первичного преобразователя (в технической литературе встречается и термин датчик, употребленный в том же значении, что и первичный преобразователь), канала связи и вторичного прибора.

Первичный преобразователь - измерительное устройство, установленное на объекте измерения, преобразует контролируемую величину в выходной сигнал, удобный для передачи по каналу связи.

Первичные преобразователи весьма разнообразны как по принципу действия, так и по характеру выходных сигналов; их можно классифицировать по ряду признаков:

• а) по виду контролируемой величины (преобразователи температуры, давления, расхода, уровня, плотности и т. п.);
• б) по принципу действия (электрические, пневматические и т. п.);
• в) по виду и характеру выходного сигнала.

Выходные сигналы преобразователей могут быть непрерывными и прерывными (дискретными).

Важнейшая характеристика первичного преобразователя - вид функциональной зависимости между изменениями контролируемой величины и выходным сигналом преобразователя; предпочтительна линейная зависимость.

Канал связи служит для передачи сигнала от первичного преобразователя к вторичному прибору. Если сигнал электрический, то в качестве канала связи используются электрические провода или кабель. Для пневматических или гидравлических сигналов используются металлические и пластмассовые трубки.

Наибольшее распространение в современных системах централизованного контроля получили электрические и пневматические дистанционные передачи, причем пневматические системы применяются, главным образом, во взрыво- и пожароопасных производствах, где применение электрических передач затруднено.

Вторичный прибор - устройство, воспринимающее сигнал от первичного преобразователя и выражающее его в численном виде при помощи отсчетного устройства. Во многих случаях один и тот же вторичный прибор может быть использован для измерения различных параметров (разница будет лишь в градуировке шкалы).

Шкалы технических приборов обычно градуируются так, чтобы показания их были численно равны отсчету. Например, отсчету д = 50 по шкале ртутного термометра, градуированного в °С, соответствует показание 0 = 50. Единица измерения температуры и= 1 °С.

По способу отсчета измерительные приборы подразделяются на следующие группы.

Приборы с ручной наводкой, у которых процесс измерения осуществляется сравнением измеряемой величины с мерами или образцами при непосредственном участии наблюдателя (весы с гирями, оптический пирометр с исчезающей нитью).

Показывающие приборы указывают значение измеряемой величины в момент измерения на отсчетном устройстве.

Наиболее широко применяются шкаловые отсчетные устройства. Шкалы выполняются как неподвижными, так и подвижными; в последнем случае шкала перемещается относительно неподвижного указателя. Отметки на шкалах располагаются вдоль прямой линии или по дуге окружности на плоской и цилиндрической поверхности циферблата.

На рис. 4.1.1 показаны наиболее типичные шкалы измерительных приборов.

• 11111111111П1|1Щ111Ш1Ц1||1Ш1ПП1|Щ1ПП1
• 0 20 40 60 80 100

Рис. 4.1.1. Ш калы: а - прямолинейная; б - дуговая; в - круговая равномерная; г - профильная; д - барабанная; е - круговая неравномерная

Положение указателя определяется углом поворота или линейным его перемещением от нуля или начала шкалы. Зависимость между положением указателя и отсчетом называется характеристикой шкалы.

Характеристика шкалы для приборов с угловым перемещением указателя (рис. 4.1.2) выражается уравнением.

где (р - угол поворота указателя от нулевой отметки шкалы, а для безнулевых шкал - от начала шкалы; д - отсчет по шкале.

Рис. 4.1.2. Ш каловое отсчетное устройство с дуговой шкалой

Для приборов с прямолинейными шкалами (рис. 4.1.3)

я=А(Ю,

где N - линейное смещение указателя от нуля шкалы (для безнулевых шкал - от начала шкалы).

Рис. 4.1.3. Ш каловое отсчетное устройство с прямолинейной шкалой

Множитель 100 °С, помещенный на шкале рис. 4.1.3, указывает, что при прочтении показания прибора надо величину, отмеченную указателем, умножить на 100.

Линейное смещение указателя от нулевой отметки дуговых и круговых шкал составляет:

где Я ш - радиус шкалы.

Равномерные шкалы имеют линейную характеристику вида

Я = -(# в ~Я Н) + Я Н

N , .

Я=-гг -(Я 0 ~Я Н) + Я Н,

Самопишущие (регистрирующие) приборы снабжаются приспособлениями, автоматически записывающими на бумажной ленте или диске текущее значение измеряемой величины во времени. Запись осуществляется пером в виде непрерывной линии или печатным устройством с периодическим печатанием на бумажной ленте числовых значений отсчетов. На одной бумажной ленте могут быть записаны несколько измеряемых величин. В этом случае в прибор встраивается автоматический переключатель, последовательно подключающий к измерительной системе одну из нескольких точек измерения. На рис. 4.1.4 приведены схемы типичных регистрирующих устройств. Характеристики регистрирующих устройств аналогичны характеристикам шкало-вых отсчетных устройств.

Комбинированные приборы осуществляют показания и регистрацию измеряемой величины. Измерительные приборы могут снабжаться также дополнительными устройствами для сигнализации (сигнализирующие приборы), регулирования измеряемой величины (регулирующие приборы) и для других целей.

Суммирующие (интегрирующие) приборы дают суммарное значение измеряемой величины за определенный промежуток времени. Эти приборы снабжаются счетчиками, которые часто встраиваются в один корпус с показывающим или самопишущим прибором, имея с ним одну измерительную систему.

Чувствительностью измерительного прибора называется отношение линейного или углового перемещения указателя к изменению измеряемой величины, вызвавшему это перемещение.

Линейная чувствительность 5 = угловая чувствительность 5 у = или 5 у =

Рис. 4.1.4. а - с записью в полярных координатах на дисковой диаграмме; б - с записью в прямоугольных координатах на ленточной диаграмме; в - с печатающим устройством

4 Ф. *0"

для приборов с дуговыми и круговыми шкалами чувствительность где ДУУ и Д(р - перемещение указателя; АО - изменение измеряемой величины; Л ш - радиус шкалы (см. рис. 4.1.2).

Чем больше чувствительность прибора, тем меньшую долю измеряемой величины можно измерить. Величина чувствительности является мерой, при помощи которой сравниваются однотипные приборы.

Величина, обратная чувствительности (С), называется ценой деления шкалы прибора, т. е.

Диапазон измерения, как разница между верхним и нижним пределом измерения, и порог чувствительности формируют первую группу метрологических свойств прибора (в общем случае - средства измерения), вторая группа свойств нацелена на повышение качества измерений и соответствующих измерительных приборов. Интегрально это проявляется в точности измерений - близостью к нулю погрешностей измерений и измерительного прибора.

9. Средства измерений и их характеристики

В научной литературе средства технических измерений делят на три большие группы. Это: меры, калибры и универсальные средства измерения, к которым относятся измерительные приборы, контрольно-измерительные приборы (КИП), и системы.

1. Мера представляет собой такое средство измерений, которое предназначается для воспроизведения физической величины положенного размера. К мерам относятся плоскопараллельные меры длины (плитка) и угловые меры.

2. Калибры представляют собой некие устройства, предназначение которых заключается в использовании для контролирования и поиска в нужных границах размеров, взаиморасположения поверхностей и формы деталей. Как правило, они подразделяются на: гладкие предельные калибры (скобы и пробки), а также резьбовые калибры, к которым относятся резьбовые кольца или скобы, резьбовые пробки и т. п.

3. Измерительный прибор, представленный в виде устройства, вырабатывающего сигнал измерительной информации в форме, понятной для восприятия наблюдателей.

4. Измерительная система, понимаемая как некая совокупность средств измерений и неких вспомогательных устройств, которые соединяются между собой каналами связи. Она предназначена для производства сигналов информации измерений в некой форме, которая подходит для автоматической обработки, а также для трансляции и применения в автоматических системах управления.

5. Универсальные средства измерения, предназначение которых находится в использовании для определения действительных размеров. Любое универсальное измерительное средство характеризуется назначением, принципом действия, т. е физическим принципом, положенным в основу его построения, особенностями конструкции и метрологическими характеристиками.

При контрольном измерении угловых и линейных показателей применяют прямые измерения, реже встречаются относительные, косвенные или совокупные измерения. В научной литературе среди прямых методов измерений выделяют, как правило, следующие:

1) метод непосредственной оценки, представляющий собой такой метод, при котором значение величины определяют по отсчетному устройству измерительного прибора;

2) метод сравнения с мерой, под которым понимается метод, при котором данную величину возможно сравнить с величиной, воспроизводимой мерой;

3) метод дополнения, под которым обычно подразумевается метод, когда значение полученной величины дополняется мерой этой же величины с тем, чтобы на используемый прибор для сравнения действовала их сумма, равная заранее заданному значению;

4) дифференциальный метод, который характеризуется измерением разности между данной величиной и известной величиной, воспроизводимой мерой. Метод дает результат с достаточно высоким показателем точности при применении грубых средств измерения;

5) нулевой метод, который, по сути, аналогичен дифференциальному, но разность между данной величиной и мерой сводится к нулю. Причем нулевой метод обладает определенным преимуществом, поскольку мера может быть во много раз меньше измеряемой величины;

6) метод замещения, представляющий собой сравнительный метод с мерой, в которой измеряемую величину заменяют известной величиной, которая воспроизводится мерой. Вспомним о том, что существуют и нестандартизованные методы. В эту группу, как правило, включают следующие:

1) метод противопоставления, подразумевающий под собой такой метод, при котором данная величина, а также величина, воспроизводимая мерой, в одно и то же время действуют на прибор сравнения;

2) метод совпадений, характеризующийся как метод, при котором разность между сравниваемыми величинами измеряют, используя совпадение меток на шкалах или периодических сигналов.

10. Классификация средств измерения

Средство измерения (СИ) – это техническое средство или совокупность средств, применяющееся для осуществления измерений и обладающее нормированными метрологическими характеристиками. При помощи средств измерения физическая величина может быть не только обнаружена, но и измерена.

Средства измерения классифицируются по следующим критериям:

1) по способам конструктивной реализации;

2) по метрологическому предназначению.

По способам конструктивной реализации средства измерения делятся на:

1) меры величины;

2) измерительные преобразователи;

3) измерительные приборы;

4) измерительные установки;

5) измерительные системы.

Меры величины – это средства измерения определенного фиксированного размера, многократно используемые для измерения. Выделяют:

1) однозначные меры;

2) многозначные меры;

3) наборы мер.

Некоторое количество мер, технически представляющее собой единое устройство, в рамках которого возможно по-разному комбинировать имеющиеся меры, называют магазином мер.

Объект измерения сравнивается с мерой посредством компараторов (технических приспособлений). Например, компаратором являются рычажные весы.

К однозначным мерам принадлежат стандартные образцы (СО). Различают два вида стандартных образцов:

1) стандартные образцы состава;

2) стандартные образцы свойств.

Стандартный образец состава или материала – это образец с фиксированными значениями величин, количественно отражающих содержание в веществе или материале всех его составных частей.

Стандартный образец свойств вещества или материала – это образец с фиксированными значениями величин, отражающих свойства вещества или материала (физические, биологические и др.).

Каждый стандартный образец в обязательном порядке должен пройти метрологическую аттестацию в органах метрологической службы, прежде чем начнет использоваться.

Стандартные образцы могут применяться на разных уровнях и в разных сферах. Выделяют:

1) межгосударственные СО;

2) государственные СО;

3) отраслевые СО;

4) СО организации (предприятия).

Измерительные преобразователи (ИП) – это средства измерения, выражающие измеряемую величину через другую величину или преобразующие ее в сигнал измерительной информации, который в дальнейшем можно обрабатывать, преобразовывать и хранить. Измерительные преобразователи могут преобразовывать измеряемую величину по-разному. Выделяют:

1) аналоговые преобразователи (АП);

2) цифроаналоговые преобразователи (ЦАП);

3) аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Измерительные преобразователи могут занимать различные позиции в цепи измерения. Выделяют:

1) первичные измерительные преобразователи, которые непосредственно контактируют с объектом измерения;

2) промежуточные измерительные преобразователи, которые располагаются после первичных преобразователей. Первичный измерительный преобразователь технически обособлен, от него поступают в измерительную цепь сигналы, содержащие измерительную информацию. Первичный измерительный преобразователь является датчиком. Конструктивно датчик может быть расположен довольно далеко от следующего промежуточного средства измерения, которое должно принимать его сигналы.

Обязательными свойствами измерительного преобразователя являются нормированные метрологические свойства и вхождение в цепь измерения.

Измерительный прибор – это средство измерения, посредством которого получается значение физической величины, принадлежащее фиксированному диапазону. В конструкции прибора обычно присутствует устройство, преобразующее измеряемую величину с ее индикациями в оптимально удобную для понимания форму. Для вывода измерительной информации в конструкции прибора используется, например, шкала со стрелкой или цифроуказатель, посредством которых и осуществляется регистрация значения измеряемой величины. В некоторых случаях измерительный прибор синхронизируют с компьютером, и тогда вывод измерительной информации производится на дисплей.

В соответствии с методом определения значения измеряемой величины выделяют:

1) измерительные приборы прямого действия;

2) измерительные приборы сравнения.

Измерительные приборы прямого действия – это приборы, посредством которых можно получить значение измеряемой величины непосредственно на отсчетном устройстве.

Измерительный прибор сравнения – это прибор, посредством которого значение измеряемой величины получается при помощи сравнения с известной величиной, соответствующей ее мере.

Измерительные приборы могут осуществлять индикацию измеряемой величины по-разному. Выделяют:

1) показывающие измерительные приборы;

2) регистрирующие измерительные приборы.

Разница между ними в том, что с помощью показывающего измерительного прибора можно только считывать значения измеряемой величины, а конструкция регистрирующего измерительного прибора позволяет еще и фиксировать результаты измерения, например посредством диаграммы или нанесения на какой-либо носитель информации.

Отсчетное устройство – конструктивно обособленная часть средства измерений, которая предназначена для отсчета показаний. Отсчетное устройство может быть представлено шкалой, указателем, дисплеем и др. Отсчетные устройства делятся на:

1) шкальные отсчетные устройства;

2) цифровые отсчетные устройства;

3) регистрирующие отсчетные устройства. Шкальные отсчетные устройства включают в себя шкалу и указатель.

Шкала – это система отметок и соответствующих им последовательных числовых значений измеряемой величины. Главные характеристики шкалы:

1) количество делений на шкале;

2) длина деления;

3) цена деления;

4) диапазон показаний;

5) диапазон измерений;

6) пределы измерений.

Деление шкалы – это расстояние от одной отметки шкалы до соседней отметки.

Длина деления – это расстояние от одной осевой до следующей по воображаемой линии, которая проходит через центры самых маленьких отметок данной шкалы.

Цена деления шкалы – это разность между значениями двух соседних значений на данной шкале.

Диапазон показаний шкалы – это область значений шкалы, нижней границей которой является начальное значение данной шкалы, а верхней – конечное значение данной шкалы.

Диапазон измерений – это область значений величин в пределах которой установлена нормированная предельно допустимая погрешность.

Пределы измерений – это минимальное и максимальное значение диапазона измерений.

Практически равномерная шкала – это шкала, у которой цены делений разнятся не больше чем на 13 % и которая обладает фиксированной ценой деления.

Существенно неравномерная шкала – это шкала, у которой деления сужаются и для делений которой значение выходного сигнала является половиной суммы пределов диапазона измерений.

Выделяют следующие виды шкал измерительных приборов:

1) односторонняя шкала;

2) двусторонняя шкала;

3) симметричная шкала;

4) безнулевая шкала.

Односторонняя шкала – это шкала, у которой ноль располагается в начале.

Двусторонняя шкала – это шкала, у которой ноль располагается не в начале шкалы.

Симметричная шкала – это шкала, у которой ноль располагается в центре.

Измерительная установка – это средство измерения, представляющее собой комплекс мер, ИП, измерительных приборов и прочее, выполняющих схожие функции, используемые для измерения фиксированного количества физических величин и собранные в одном месте. В случае, если измерительная установка используется для испытаний изделий, она является испытательным стендом.

Измерительная система – это средство измерения, представляющее собой объединение мер, ИП, измерительных приборов и прочее, выполняющих схожие функции, находящихся в разных частях определенного пространства и предназначенных для измерения определенного числа физических величин в данном пространстве.

По метрологическому предназначению средства измерения делятся на:

1) рабочие средства измерения;

2) эталоны.

Рабочие средства измерения (РСИ) – это средства измерения, используемые для осуществления технических измерений. Рабочие средства измерения могут использоваться в разных условиях. Выделяют:

1) лабораторные средства измерения, которые применяются при проведении научных исследований;

2) производственные средства измерения, которые применяются при осуществлении контроля над протеканием различных технологических процессов и качеством продукции;

3) полевые средства измерения, которые применяются в процессе эксплуатации самолетов, автомобилей и других технических устройств.

К каждому отдельному виду рабочих средств измерения предъявляются определенные требования. Требования к лабораторным рабочим средствам измерения – это высокая степень точности и чувствительности, к производственным РСИ – высокая степень устойчивости к вибрациям, ударам, перепадам температуры, к полевым РСИ – устойчивость и исправная работа в различных температурных условиях, устойчивость к высокому уровню влажности.

Эталоны – это средства измерения с высокой степенью точности, применяющиеся в метрологических исследованиях для передачи сведений о размере единицы. Более точные средства измерения передают сведения о размере единицы и так далее, таким образом образуется своеобразная цепочка, в каждом следующем звене которой точность этих сведений чуть меньше, чем в предыдущем.

Сведения о размере единицы предаются во время проверки средств измерения. Проверка средств измерения осуществляется с целью утверждения их пригодности.

11. Метрологические характеристики средств измерений и их нормирование

Метрологические свойства средств измерения – это свойства, оказывающие непосредственное влияние на результаты проводимых этими средствами измерений и на погрешность этих измерений.

Количественно-метрологические свойства характеризуются показателями метрологических свойств, которые являются их метрологическими характеристиками.

Утвержденные НД метрологические характеристики являются нормируемыми метрологическими характеристиками Метрологические свойства средств измерения подразделяются на:

1) свойства, устанавливающие сферу применения средств измерения:

2) свойства, определяющие прецизионность и правильность полученных результатов измерения.

Свойства, устанавливающие сферу применения средств измерения, определяются следующими метрологическими характеристиками:

1) диапазоном измерений;

2) порогом чувствительности.

Диапазон измерений – это диапазон значений величины, в котором нормированы предельные значения погрешностей. Нижнюю и верхнюю (правую и левую) границу измерений называют нижним и верхним пределом измерений.

Порог чувствительности – это минимальное значение измеряемой величины, способное стать причиной заметного искажения получаемого сигнала.

Свойства, определяющие прецизионность и правильность полученных результатов измерения, определяются следующими метрологическими характеристиками:

1) правильность результатов;

2) прецизионность результатов.

Точность результатов, полученных некими средствами измерения, определяется их погрешностью.

Погрешность средств измерения – это разность между результатом измерения величины и настоящим (действительным) значением этой величины. Для рабочего средства измерения настоящим (действительным) значением измеряемой величины считается показание рабочего эталона более низкого разряда. Таким образом, базой сравнения является значение, показанное средством измерения, стоящим выше в поверочной схеме, чем проверяемое средство измерения.

Q n =Q n ?Q 0 ,

где AQ n – погрешность проверяемого средства измерения;

Q n – значение некой величины, полученное с помощью проверяемого средства измерения;

Нормирование метрологических характеристик – это регламентирование пределов отклонений значений реальных метрологических характеристик средств измерений от их номинальных значений. Главная цель нормирования метрологических характеристик – это обеспечение их взаимозаменяемости и единства измерений. Значения реальных метрологических характеристик устанавливаются в процессе производства средств измерения, в дальнейшем во время эксплуатации средств измерения эти значения должны проверятся. В случае, если одна или несколько нормированных метрологических характеристик выходит из регламентированных пределов, средство измерения должно быть либо немедленно отрегулировано, либо изъято из эксплуатации.

Значения метрологических характеристик регламентируются соответствующими стандартами средств измерения. Причем метрологические характеристики нормируются раздельно для нормальных и рабочих условий применения средств измерения. Нормальные условия применения – это условия, в которых изменениями метрологических характеристик, обусловленными воздействием внешних факторов (внешние магнитные поля, влажность, температура), можно пренебречь. Рабочие условия – это условия, в которых изменение влияющих величин имеет более широкий диапазон.

12. Метрологическое обеспечение, его основы

Метрологическое обеспечение, или сокращенно МО, представляет собой такое установление и использование научных и организационных основ, а также ряда технических средств, норм и правил, нужных для соблюдения принципа единства и требуемой точности измерений. На сегодняшний день развитие МО движется в направлении перехода от существовавшей узкой задачи обеспечения единства и требуемой точности измерений к новой задаче обеспечения качества измерений Смысл понятия «метрологическое обеспечение» расшифровывается по отношению к измерениям (испытанию, контролю) в целом. Однако данный термин применим и в виде понятия «метрологическое обеспечение технологического процесса (производства, организации)», которое подразумевает МО измерений (испытаний или контроля) в данном процессе, производстве, организации. Объектом МО можно считать все стадии жизненного цикла (ЖЦ) изделия (продукции) или услуги, где жизненный цикл воспринимается как некая совокупность последовательных взаимосвязанных процессов создания и изменения состояния продукции от формулирования исходных требований к ней до окончания эксплуатации или потребления. Нередко на этапе разработки продукции для достижения высокого качества изделия производится выбор контролируемых параметров, норм точности, допусков, средств измерения, контроля и испытания. А в процессе разработки МО желательно использовать системный подход, при котором указанное обеспечение рассматривается как некая совокупности взаимосвязанных процессов, объединенных одной целью. Этой целью является достижение требуемого качества измерений. В научной литературе выделяют, как правило, целый ряд подобных процессов:

1) установление номенклатуры измеряемых параметров, а также наиболее подходящих норм точности при контроле качества продукции и управлении процессами;

2) технико-экономическое обоснование и выбор СИ, испытаний и контроля и установление их рациональной номенклатуры;

3) стандартизация, унификация и агрегатирование используемой контрольно-измерительной техники;

4) разработка, внедрение и аттестация современных методик выполнения измерения, испытаний и контроля (МВИ);

5) поверка, метрологическая аттестация и калибровки КИО или контрольно-измерительного, а также испытательного оборудования, применяемого на предприятии;

6) контроль за производством, состоянием, применением и ремонтом КИО, а также за точным следованием правил метрологии и норм на предприятии;

7) участие в процессе создания и внедрения стандартов предприятия;

8) внедрение международных, государственных, отраслевых стандартов, а также иных нормативных документов Госстандарта;

9) проведение метрологической экспертизы проектов конструкторской, технологической и нормативной документации;

10) проведение анализа состояния измерений, разработка на его основе и проведение различных мероприятий по улучшению МО;

11) подготовка работников соответствующих служб и подразделений предприятия к выполнению контрольно-измерительных операций.

Организация и проведение всех мероприятий МО является прерогативой метрологических служб. В основе метрологического обеспечения лежат четыре пласта. Собственно, они и носят в научной литературе аналогичное название – основы. Итак, это научная, организационная, нормативная и техническая основы. Особое внимание хотелось бы обратить на организационные основы метрологического обеспечения. К организационным службам метрологического обеспечения относят Государственную метрологическую службу и Ведомственную метрологическую службу.

Государственная метрологическая служба, или сокращенно ГМС несет ответственность за обеспечение метрологических измерений в России на межотраслевом уровне, а также проводит контрольные и надзорные мероприятия в области метрологии. В состав ГМС входят:

1) государственные научные метрологические центры (ГНМЦ), метрологические научно-исследовательские институты, отвечающие согласно законодательной базе за вопросы применения, хранения и создания государственных эталонов и разработку нормативных актов по вопросам поддержания единства измерений в закрепленном виде измерений;

2) органы ГМС на территории республик, входящих в состав РФ, органы автономных областей, органы автономных округов, областей, краев, городов Москвы и Санкт-Петербурга.

Основная деятельность органов ГМС направлена на обеспечение единства измерений в стране. Она включает создание государственных и вторичных эталонов, разработку систем передачи размеров единиц ФВ рабочим СИ, государственный надзор за состоянием, применением, производством, ремонтом СИ, метрологическую экспертизу документации и важнейших видов продукции, методическое руководство МС юридических лиц. Руководство ГМС осуществляет Госстандарт.

Ведомственная метрологическая служба, которая согласно положениям Закона «Об обеспечении единства измерений» может быть создана на предприятии для обеспечения МО Во главе ее должен находиться представитель администрации, обладающий соответствующими знаниями и полномочиями При проведении мероприятий в сферах, предусмотренных ст 13 указанного Закона, создание метрологической службы является обязательным. В числе подобных сфер деятельности можно назвать:

1) здравоохранение, ветеринария, охрана окружающей среды, поддержание безопасности труда;

2) торговые операции и взаиморасчеты между продавцами и покупателями, в которые включаются, как правило, операции с использованием игровых автоматов и других устройств;

3) государственные учетные операции;

4) оборона государства;

5) геодезические и гидрометеорологические работы;

6) банковские, таможенные, налоговые и почтовые операции;

7) производство продукции, поставляемой по контрактам для нужд государства в согласии с законодательной базой РФ;

8) контролирование и испытания качества продукции для обеспечения соответствия обязательным требованиям государственных стандартов РФ;

9) сертификация товаров и услуг в обязательном порядке;

10) измерения, проводимые по поручению ряда госорганов: суда, арбитража, прокуратуры, государственных органов управления РФ;

11) регистрационная деятельность, связанная с национальными или международными рекордами в сфере спорта. Метрологическая служба государственного органа управления подразумевает в своем составе следующие компоненты:

1) структурные подразделения главного метролога в составе центрального аппарата госоргана;

2) головные и базовые организации метрологических служб в отраслях и подотраслях, назначаемые органом управления;

3) метрологическая служба предприятий, объединений, организаций и учреждений.

Другим важнейшим разделом МО являются его научные и методические основы. Так, основным компонентом данных основ становятся Государственные научные метрологические центры (ГНМЦ), которые создаются из состава находящихся в ведении Госстандарта предприятий и организаций или их структурных подразделений, выполняющих различные операции по вопросам создания, хранения, улучшения, применения и хранения госэталонов единиц величин, а, кроме того, разрабатывающих нормативные правила для целей обеспечения единства измерений, имея в своем составе высококвалифицированные кадры. Присвоение какому-либо предприятию статуса ГНМЦ, как правило, не влияет на форму его собственности и организационно-правовые формы, а означает лишь причисление их к группе объектов, обладающих особенными формами господдержки. Основными функциями ГНМЦ являются следующие:

1) создание, совершенствование, применение и хранение госэталонов единиц величин;

2) проведение прикладных и фундаментальных научно-исследовательских и конструкторских разработок в сфере метрологии, в число которых можно включить и создание различных опытно-экспериментальных установок, исходных мер и шкал для обеспечения единства измерений;

3) передача от госэталонов исходных данных о размерах единиц величин;

4) проведение государственных испытаний средств измерений;

5) разработка оборудования, требующегося для ГМС;

6) разработка и совершенствование нормативных, организационных, экономических и научных основ деятельности, направленной на обеспечение единства измерений в зависимости от специализации;

7) взаимодействие с метрологической службой федеральных органов исполнительной власти, организаций и предприятий, обладающих статусом юридического лица;

8) обеспечение информацией по поводу единства измерений предприятий и организаций

9) организация различных мероприятий, связанных с деятельностью ГСВЧ, ГСССД и ГССО;

10) проведение экспертизы разделов МО федеральных и иных программ;

11) организация метрологической экспертизы и измерений по просьбе ряда государственных органов: суда, арбитража, прокуратуры или федеральных органов исполнительной власти;

12) подготовка и переподготовка высококвалифицированных кадров;

13) участие в сопоставлении госэталонов с эталонами национальными, наличествующими в ряду зарубежных государств, а также участие в разработке международных норм и правил.

Деятельность ГНМЦ регламентируется Постановлением Правительства Российской Федерации от 12.02.94 г. № 100.

Важным компонентом основы МО являются, как было сказано выше, методические инструкции и руководящие документы, под которыми подразумеваются нормативные документы методического содержания, разрабатываются организациями, подведомственными Госстандарту Российской Федерации. Так, в сфере научных и методических основ метрологического обеспечения Госстандарт России организует:

1) проведение научно-исследовательских мероприятий и опытно-конструкторских работ в закрепленных областях деятельности, а также устанавливает правила проведения работ по метрологии, стандартизации, аккредитации и сертификации, а также по госконтролю и надзору в подведомственных областях, осуществляет методическое руководство этими работами;

2) осуществляет методическое руководство обучением в областях метрологии, сертификации и стандартизации, устанавливает требования к степени квалификации и компетентности персонала. Организует подготовку, переподготовку и повышение квалификации специалистов.

13. Погрешность измерений

В практике использования измерений очень важным показателем становится их точность, которая представляет собой ту степень близости итогов измерения к некоторому действительному значению, которая используется для качественного сравнения измерительных операций. А в качестве количественной оценки, как правило, используется погрешность измерений. Причем чем погрешность меньше, тем считается выше точность.

Согласно закону теории погрешностей, если необходимо повысить точность результата (при исключенной систематической погрешности) в 2 раза, то число измерений необходимо увеличить в 4 раза; если требуется увеличить точность в 3 раза, то число измерений увеличивают в 9 раз и т. д.

Процесс оценки погрешности измерений считается одним из важнейших мероприятий в вопросе обеспечения единства измерений. Естественно, что факторов, оказывающих влияние на точность измерения, существует огромное множество. Следовательно, любая классификация погрешностей измерения достаточно условна, поскольку нередко в зависимости от условий измерительного процесса погрешности могут проявляться в различных группах. При этом согласно принципу зависимости от формы данные выражения погрешности измерения могут быть: абсолютными, относительными и приведенными.

Кроме того, по признаку зависимости от характера проявления, причин возникновения и возможностей устранения погрешности измерений могут быть составляющими При этом различают следующие составляющие погрешности: систематические и случайные.

Систематическая составляющая остается постоянной или меняется при следующих измерениях того же самого параметра.

Случайная составляющая изменяется при повторных изменениях того же самого параметра случайным образом. Обе составляющие погрешности измерения (и случайная, и систематическая) проявляются одновременно. Причем значение случайной погрешности не известно заранее, поскольку оно может возникать из-за целого ряда неуточненных факторов Данный вид погрешности нельзя исключить полностью, однако их влияние можно несколько уменьшить, обрабатывая результаты измерений.

Систематическая погрешность, и в этом ее особенность, если сравнивать ее со случайной погрешностью, которая выявляется вне зависимости от своих источников, рассматривается по составляющим в связи с источниками возникновения.

Составляющие погрешности могут также делиться на: методическую, инструментальную и субъективную. Субъективные систематические погрешности связаны с индивидуальными особенностями оператора. Такая погрешность может возникать из-за ошибок в отсчете показаний или неопытности оператора. В основном же систематические погрешности возникают из-за методической и инструментальной составляющих. Методическая составляющая погрешности определяется несовершенством метода измерения, приемами использования СИ, некорректностью расчетных формул и округления результатов. Инструментальная составляющая появляется из-за собственной погрешности СИ, определяемой классом точности, влиянием СИ на итог и разрешающей способности СИ. Есть также такое понятие, как «грубые погрешности или промахи», которые могут появляться из-за ошибочных действий оператора, неисправности СИ или непредвиденных изменений ситуации измерений. Такие погрешности, как правило, обнаруживаются в процессе рассмотрения результатов измерений с помощью специальных критериев. Важным элементом данной классификации является профилактика погрешности, понимаемая как наиболее рациональный способ снижения погрешности, заключается в устранении влияния какого-либо фактора.

14. Виды погрешностей

Выделяют следующие виды погрешностей:

1) абсолютная погрешность;

2) относительна погрешность;

3) приведенная погрешность;

4) основная погрешность;

5) дополнительная погрешность;

6) систематическая погрешность;

7) случайная погрешность;

8) инструментальная погрешность;

9) методическая погрешность;

10) личная погрешность;

11) статическая погрешность;

12) динамическая погрешность.

Погрешности измерений классифицируются по следующим признакам.

По способу математического выражения погрешности делятся на абсолютные погрешности и относительные погрешности.

По взаимодействию изменений во времени и входной величины погрешности делятся на статические погрешности и динамические погрешности.

По характеру появления погрешности делятся на систематические погрешности и случайные погрешности.

Абсолютная погрешность – это значение, вычисляемое как разность между значением величины, полученным в процессе измерений, и настоящим (действительным) значением данной величины.

Абсолютная погрешность вычисляется по следующей формуле:

Q n =Q n ?Q 0 ,

где AQ n – абсолютная погрешность;

Q n – значение некой величины, полученное в процессе измерения;

Q 0 – значение той же самой величины, принятое за базу сравнения (настоящее значение).

Абсолютная погрешность меры – это значение, вычисляемое как разность между числом, являющимся номинальным значением меры, и настоящим (действительным) значением воспроизводимой мерой величины.

Относительная погрешность – это число, отражающее степень точности измерения.

Относительная погрешность вычисляется по следующей формуле:

где?Q – абсолютная погрешность;

Q 0 – настоящее (действительное) значение измеряемой величины.

Приведенная погрешность – это значение, вычисляемое как отношение значения абсолютной погрешности к нормирующему значению.

Нормирующее значение определяется следующим образом:

1) для средств измерений, для которых утверждено номинальное значение, это номинальное значение принимается за нормирующее значение;

2) для средств измерений, у которых нулевое значение располагается на краю шкалы измерения или вне шкалы, нормирующее значение принимается равным конечному значению из диапазона измерений. Исключением являются средства измерений с существенно неравномерной шкалой измерения;

3) для средств измерений, у которых нулевая отметка располагается внутри диапазона измерений, нормирующее значение принимается равным сумме конечных численных значений диапазона измерений;

4) для средств измерения (измерительных приборов), у которых шкала неравномерна, нормирующее значение принимается равным целой длине шкалы измерения или длине той ее части, которая соответствует диапазону измерения. Абсолютная погрешность тогда выражается в единицах длины.

Погрешность измерения включает в себя инструментальную погрешность, методическую погрешность и погрешность отсчитывания. Причем погрешность отсчитывания возникает по причине неточности определения долей деления шкалы измерения.

Инструментальная погрешность – это погрешность, возникающая из-за допущенных в процессе изготовления функциональных частей средств измерения ошибок.

Методическая погрешность – это погрешность, возникающая по следующим причинам:

1) неточность построения модели физического процесса, на котором базируется средство измерения;

2) неверное применение средств измерений.

Субъективная погрешность – это погрешность возникающая из-за низкой степени квалификации оператора средства измерений, а также из-за погрешности зрительных органов человека, т. е. причиной возникновения субъективной погрешности является человеческий фактор.

Погрешности по взаимодействию изменений во времени и входной величины делятся на статические и динамические погрешности.

Статическая погрешность – это погрешность, которая возникает в процессе измерения постоянной (не изменяющейся во времени) величины.

Динамическая погрешность – это погрешность, численное значение которой вычисляется как разность между погрешностью, возникающей при измерении непостоянной (переменной во времени) величины, и статической погрешностью (погрешностью значения измеряемой величины в определенный момент времени).

По характеру зависимости погрешности от влияющих величин погрешности делятся на основные и дополнительные.

Основная погрешность – это погрешность, полученная в нормальных условиях эксплуатации средства измерений (при нормальных значениях влияющих величин).

Дополнительная погрешность – это погрешность, которая возникает в условиях несоответствия значений влияющих величин их нормальным значениям, или если влияющая величина переходит границы области нормальных значений.

Нормальные условия – это условия, в которых все значения влияющих величин являются нормальными либо не выходят за границы области нормальных значений.

Рабочие условия – это условия, в которых изменение влияющих величин имеет более широкий диапазон (значения влияющих не выходят за границы рабочей области значений).

Рабочая область значений влияющей величины – это область значений, в которой проводится нормирование значений дополнительной погрешности.

По характеру зависимости погрешности от входной величины погрешности делятся на аддитивные и мультипликативные.

Аддитивная погрешность – это погрешность, возникающая по причине суммирования численных значений и не зависящая от значения измеряемой величины, взятого по модулю (абсолютного).

Мультипликативная погрешность – это погрешность, изменяющаяся вместе с изменением значений величины, подвергающейся измерениям.

Надо заметить, что значение абсолютной аддитивной погрешности не связано со значением измеряемой величины и чувствительностью средства измерений. Абсолютные аддитивные погрешности неизменны на всем диапазоне измерений.

Значение абсолютной аддитивной погрешности определяет минимальное значение величины, которое может быть измерено средством измерений.

Значения мультипликативных погрешностей изменяются пропорционально изменениям значений измеряемой величины. Значения мультипликативных погрешностей также пропорциональны чувствительности средства измерений Мультипликативная погрешность возникает из-за воздействия влияющих величин на параметрические характеристики элементов прибора.

Погрешности, которые могут возникнуть в процессе измерений, классифицируют по характеру появления. Выделяют:

1) систематические погрешности;

2) случайные погрешности.

В процессе измерения могут также появиться грубые погрешности и промахи.

Систематическая погрешность – это составная часть всей погрешности результата измерения, не изменяющаяся или изменяющаяся закономерно при многократных измерениях одной и той же величины. Обычно систематическую погрешность пытаются исключить возможными способами (например, применением методов измерения, снижающих вероятность ее возникновения), если же систематическую погрешность невозможно исключить, то ее просчитывают до начала измерений и в результат измерения вносятся соответствующие поправки. В процессе нормирования систематической погрешности определяются границы ее допустимых значений. Систематическая погрешность определяет правильность измерений средств измерения (метрологическое свойство).

Систематические погрешности в ряде случаев можно определить экспериментальным путем. Результат измерений тогда можно уточнить посредством введения поправки.

Способы исключения систематических погрешностей делятся на четыре вида:

1) ликвидация причин и источников погрешностей до начала проведения измерений;

2) устранение погрешностей в процессе уже начатого измерения способами замещения, компенсации погрешностей по знаку, противопоставлениям, симметричных наблюдений;

3) корректировка результатов измерения посредством внесения поправки (устранение погрешности путем вычислений);

4) определение пределов систематической погрешности в случае, если ее нельзя устранить.

Ликвидация причин и источников погрешностей до начала проведения измерений. Данный способ является самым оптимальным вариантом, так как его использование упрощает дальнейший ход измерений (нет необходимости исключать погрешности в процессе уже начатого измерения или вносить поправки в полученный результат).

Для устранения систематических погрешностей в процессе уже начатого измерения применяются различные способы

Способ введения поправок базируется на знании систематической погрешности и действующих закономерностей ее изменения. При использовании данного способа в результат измерения, полученный с систематическими погрешностями, вносят поправки, по величине равные этим погрешностям, но обратные по знаку.

Способ замещения состоит в том, что измеряемая величина заменяется мерой, помещенной в те же самые условия, в которых находился объект измерения. Способ замещения применяется при измерении следующих электрических параметров: сопротивления, емкости и индуктивности.

Способ компенсации погрешности по знаку состоит в том, что измерения выполняются два раза таким образом, чтобы погрешность, неизвестная по величине, включалась в результаты измерений с противоположным знаком.

Способ противопоставления похож на способ компенсации по знаку. Данный способ состоит в том, что измерения выполняют два раза таким образом, чтобы источник погрешности при первом измерении противоположным образом действовал на результат второго измерения.

Случайная погрешность – это составная часть погрешности результата измерения, изменяющаяся случайно, незакономерно при проведении повторных измерений одной и той же величины. Появление случайной погрешности нельзя предвидеть и предугадать. Случайную погрешность невозможно полностью устранить, она всегда в некоторой степени искажает конечные результаты измерений. Но можно сделать результат измерения более точным за счет проведения повторных измерений. Причиной случайной погрешности может стать, например, случайное изменение внешних факторов, воздействующих на процесс измерения. Случайная погрешность при проведении многократных измерений с достаточно большой степенью точности приводит к рассеянию результатов.

Промахи и грубые погрешности – это погрешности, намного превышающие предполагаемые в данных условиях проведения измерений систематические и случайные погрешности. Промахи и грубые погрешности могут появляться из-за грубых ошибок в процессе проведения измерения, технической неисправности средства измерения, неожиданного изменения внешних условий.

15. Качество измерительных приборов

Качество измерительного прибора – это уровень соответствия прибора своему прямому предназначению. Следовательно, качество измерительного прибора определяется тем, насколько при использовании измерительного прибора достигается цель измерения.

Главная цель измерения – это получение достоверных и точных сведений об объекте измерений.

Для того чтобы определить качество прибора, необходимо рассмотреть следующие его характеристики:

1) постоянную прибора;

2) чувствительность прибора;

3) порог чувствительности измерительного прибора;

4) точность измерительного прибора.

Постоянная прибора – это некоторое число, умножаемое на отсчет с целью получения искомого значения измеряемой величины, т. е. показания прибора. Постоянная прибора в некоторых случаях устанавливается как цена деления шкалы, которая представляет собой значение измеряемой величины, соответствующее одному делению.

Чувствительность прибора – это число, в числителе которого стоит величина линейного или углового перемещения указателя (если речь идет о цифровом измерительном приборе, то в числителе будет изменение численного значения, а в знаменателе – изменение измеряемой величины, которое вызвало данное перемещение (или изменение численного значения)).

Порог чувствительности измерительного прибора – число, являющееся минимальным значением измеряемой величины, которое может зафиксировать прибор.

Точность измерительного прибора – это характеристика, выражающая степень соответствия результатов измерения настоящему значению измеряемой величины. Точность измерительного прибора определяется посредством установления нижнего и верхнего пределов максимально возможной погрешности.

Практикуется подразделение приборов на классы точности, основанное на величине допустимой погрешности.

Класс точности средств измерений – это обобщающая характеристика средств измерений, которая определяется границами основных и дополнительных допускаемых погрешностей и другими, определяющими точность характеристиками Классы точности определенного вида средств измерений утверждаются в нормативной документации. Причем для каждого отдельного класса точности утверждаются определенные требования к метрологическим характеристикам Объединение установленных метрологических характеристик определяет степень точности средства измерений, принадлежащего к данному классу точности.

Класс точности средства измерений определяется в процессе его разработки. Так как в процессе эксплуатации метрологические характеристики как правило ухудшаются, можно по результатам проведенной калибровки (поверки) средства измерений понижать его класс точности.

16. Погрешности средств измерений

Погрешности средств измерений классифицируются по следующим критериям:

1) по способу выражения;

2) по характеру проявления;

3) по отношению к условиям применения. По способу выражения выделяют абсолютную и относительную погрешности.

Абсолютная погрешность вычисляется по формуле:

?Q n =Q n ?Q 0 ,

где ? Q n – абсолютная погрешность проверяемого средства измерения;

Q n – значение некой величины, полученное с помощью проверяемого средства измерения;

Q 0 – значение той же самой величины, принятое за базу сравнения (настоящее значение).

Относительная погрешность – это число, отражающее степень точности средства измерения. Относительная погрешность вычисляется по следующей формуле:

где ? Q – абсолютная погрешность;

Q 0 – настоящее (действительное) значение измеряемой величины.

Относительная погрешность выражается в процентах.

По характеру проявления погрешности подразделяют на случайные и систематические.

По отношению к условиям применения погрешности подразделяются на основные и дополнительные.

Основная погрешность средств измерения – это погрешность, которая определяется в том случае, если средства измерения применяются в нормальных условиях.

Дополнительная погрешность средств измерения – это составная часть погрешности средства измерения, возникающая дополнительно, если какая-либо из влияющих величин выйдет за пределы своего нормального значения.

17. Метрологическое обеспечение измерительных систем

Метрологическое обеспечение – это утвержение и использование научно-технических и организационных основ, технических приборов, норм и стандартов с целью обеспечения единства и установленной точности измерений. Метрологическое обеспечение в своем научном аспекте базируется на метрологии.

Можно выделить следующие цели метрологического обеспечения:

1) достижение более высокого качества продукции;

2) обеспечение наибольшей эффективности системы учета;

3) обеспечение профилактических мероприятий, диагностики и лечения;

4) обеспечение эффективного управления производством;

5) обеспечение высокого уровня эффективности научных работ и экспериментов;

6) обеспечение более высокой степени автоматизации в сфере управления транспортом;

7) обеспечение эффективного функционирования системы нормирования и контроля условий труда и быта;

8) повышение качества экологического надзора;

9) улучшение качества и повешение надежности связи;

10) обеспечение эффективной системы оценивания различных природных ресурсов.

Метрологическое обеспечение технических устройств – это

совокупность научно-технических средств, организационных мероприятий и мероприятий, проводимых соответствующими учреждениями с целью достижения единства и требуемой точности измерений, а также установленных характеристик технических приборов.

Измерительная система – средство измерения, представляющее собой объединение мер, ИП, измерительных приборов и другое, выполняющих схожие функции, находящихся в разных частях определенного пространства и предназначенных для измерения определенного числа физических величин в данном пространстве.

Измерительные системы используются для:

1) технической характеристики объекта измерений, получаемой путем проведения измерительных преобразований некоторого количества динамически изменяющихся во времени и распределенных в пространстве величин;

2) автоматизированной обработки полученных результатов измерений;

3) фиксирования полученных результатов измерений и результатов их автоматизированной обработки;

4) перевода данных в выходные сигналы системы. Метрологическое обеспечение измерительных систем подразумевает:

1) определение и нормирование метрологических характеристик для измерительных каналов;

2) проверку технической документации на соответствие метрологическим характеристикам;

3) проведение испытаний измерительных систем для установления типа, к которому они принадлежат;

4) проведение испытаний для определения соответствия измерительной системы установленному типу;

5) проведение сертификации измерительных систем;

6) проведение калибровки (проверки) измерительных систем;

7) обеспечение метрологического контроля над производством и использованием измерительных систем.

Измерительный канал измерительной системы – это часть измерительной системы, технически или функционально обособленная, предназначенная для выполнения определенной завершающейся функции (например, для восприятия измеряемой величины или для получения числа или кода, являющегося результатом измерений этой величины). Разделяют:

1) простые измерительные каналы;

2) сложные измерительные каналы.

Простой измерительный канал – это канал, в котором используется прямой метод измерений, реализующийся посредством упорядоченных измерительных преобразований.

В сложном измерительном канале выделяют первичную часть и вторичную часть. В первичной части сложный измерительный канал является объединением некоторого числа простых измерительных каналов. Сигналы с выхода простых измерительных каналов первичной части применяются для косвенных, совокупных или совместных измерений или для получения пропорционального результату измерений сигнала во вторичной части.

Измерительный компонент измерительной системы – это средство измерений, обладающее отдельно нормированными метрологическими характеристиками. Примером измерительного компонента измерительной системы может послужить измерительный прибор. К измерительным компонентам измерительной системы принадлежат также аналоговые вычислительные устройства (устройства, выполняющие измерительные преобразования). Аналоговые вычислительные устройства принадлежат к группе устройств с одним или несколькими вводами.

Измерительные компоненты измерительных систем бывают следующих видов.

Связующий компонент – это технический прибор или элемент окружающей среды, применяющиеся в целях обмена сигналами, содержащими сведения об измеряемой величине, между компонентами измерительной системы с минимально возможными искажениями. Примером связующего компонента может послужить телефонная линия, высоковольтная линия электропередачи, переходные устройства.

Вычислительный компонент – это цифровое устройство (часть цифрового устройства), предназначенное для выполнения вычислений, с установленным программным обеспечением. Вычислительный компонент применяется для вычи

сления результатов измерений (прямых, косвенных, совместных, совокупных), которые представляют собой число или соответствующий код, вычисления производятся по итогам первичных преобразований в измерительной системе. Вычислительный компонент выполняет также логические операции и координирование работы измерительной системы.

Комплексный компонент – это составная часть измерительной системы, представляющая собой технически или территориально объединенную совокупность компонентов Комплексный компонент завершает измерительные преобразования, а также вычислительные и логические операции, которые утверждены в принятом алгоритме обработки результатов измерений для других целей.

Вспомогательный компонент – это технический прибор, предназначенный для обеспечения нормального функционирования измерительной системы, но не принимающий участия в процессе измерительных преобразований.

Согласно соответствующим ГОСТам метрологические характеристики измерительной системы должны быть в обязательном порядке нормированы для каждого измерительного канала, входящего в измерительную систему, а также для комплексных и измерительных компонентов измерительной системы.

Как правило, изготовитель измерительной системы определяет общие нормы на метрологические характеристики измерительных каналов измерительной системы.

Нормированные метрологические характеристики измерительных каналов измерительной системы призваны:

1) обеспечивать определение погрешности измерений с помощью измерительных каналов в рабочих условиях;

2) обеспечивать эффективный контроль над соответствием измерительного канала измерительной системы нормированным метрологическим характеристикам в процессе испытаний измерительной системы. В случае, если определение или контроль над метрологическими характеристиками измерительного канала измерительной системы не могут осуществляться экспериментальным путем для всего измерительного канала, нормирование метрологических характеристик проводится для составных частей измерительного канала. Причем, объединение этих частей должно представлять собой целый измерительный канал

Нормировать характеристики погрешности в качестве метрологических характеристик измерительного канала измерительной системы можно как при нормальных условиях использования измерительных компонентов, так и при рабочих условиях, для которых характерно такое сочетание влияющих факторов, при котором модуль численного значения характеристик погрешности измерительного канала имеет максимально возможное значение. Для большей эффективности для промежуточных сочетаний влияющих факторов также нормируются характеристики погрешностей измерительного канала. Данные характеристики погрешности измерительных каналов измерительной системы необходимо проверять посредством их расчета по метрологическим характеристикам компонентов измерительной системы, представляющих собой в целом измерительный канал. Причем рассчитанные значения характеристик погрешности измерительных каналов могут и не проверяться экспериментальным путем. Но тем не менее в обязательном порядке должен осуществляться контроль метрологических характеристик для всех составных частей (компонентов) измерительной системы, нормы которых являются исходными данными в расчете.

Нормированные метрологические характеристики комплексных компонентов и измерительных компонентов должны:

1) обеспечивать определение характеристик погрешности измерительных каналов измерительной системы при рабочих условиях применения с использованием нормированных метрологических характеристик компонентов;

2) обеспечивать осуществление эффективного контроля над данными компонентами в процессе испытаний, проводимых с целью установления типа, и поверке соответствия нормированным метрологическим характеристикам. Для вычислительных компонентов измерительной системы, в случае, если их программное обеспечение не учитывалось в процессе нормирования метрологических характеристик, нормируются погрешности вычислений, источником которых является функционирование программного обеспечения (алгоритм вычислений, его программная реализация). Для вычислительных компонентов измерительной системы могут также нормироваться другие характеристики, при условии учета специфики вычислительного компонента, которая может воздействовать на характеристики составляющих частей погрешности измерительного канала (характеристики составляющей погрешности), если составляющая погрешность возникает из-за использования данной программы обработки результатов измерений.

Техническая документация по эксплуатации измерительной системы должна включать в себя описание алгоритма и программы, работающей в соответствии с описанным алгоритмом. Данное описание должно позволять рассчитывать характеристики погрешности результатов измерений с использованием характеристик погрешности составной части измерительного канала измерительной системы, расположенной перед вычислительным компонентом.

Для связующих компонентов измерительной системы нормируются два вида характеристик:

1) характеристики, обеспечивающие такое значение составляющей погрешности измерительного канала, вызванной связующим компонентом, которым можно пренебречь;

2) характеристики, позволяющие определить значение составляющей погрешности измерительного канала, вызванной связующим компонентом.

18. Выбор средств измерений

При выборе средств измерений в первую очередь должно учитываться допустимое значение погрешности для данного измерения, установленное в соответствующих нормативных документах.

В случае, если допустимая погрешность не предусмотрена в соответствующих нормативных документах, предельно допустимая погрешность измерения должна быть регламентирована в технической документации на изделие.

При выборе средств измерения должны также учитываться:

1) допустимые отклонения;

2) методы проведения измерений и способы контроля. Главным критерием выбора средств измерений является соответствие средств измерения требованиям достоверности измерений, получения настоящих (действительных) значений измеряемых величин с заданной точностью при минимальных временных и материальных затратах.

Для оптимального выбора средств измерений необходимо обладать следующими исходными данными:

1) номинальным значением измеряемой величины;

2) величиной разности между максимальным и минимальным значением измеряемой величины, регламентируемой в нормативной документации;

3) сведениями об условиях проведения измерений.

Если необходимо выбрать измерительную систему, руководствуясь критерием точности, то ее погрешность должна вычисляться как сумма погрешностей всех элементов системы (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей), в соответствии с установленным для каждой системы законом.

Предварительный выбор средств измерений производится в соответствии с критерием точности, а при окончательном выборе средств измерений должны учитываться следующие требования:

1) к рабочей области значений величин, оказывающих влияние на процесс измерения;

2) к габаритам средства измерений;

3) к массе средства измерений;

4) к конструкции средства измерений.

При выборе средств измерений необходимо учитывать предпочтительность стандартизированных средств измерений.

19. Методы определения и учета погрешностей

Методы определения и учета погрешностей измерений используются для того, чтобы:

1) на основании результатов измерений получить настоящее (действительное) значение измеряемой величины;

2) определить точность полученных результатов, т. е. степень их соответствия настоящему (действительному) значению.

В процессе определения и учета погрешностей оцениваются:

1) математическое ожидание;

2) среднеквадратическое отклонение.

Точечная оценка параметра (математического ожидания или среднеквадратического отклонения) – это оценка параметра, которая может быть выражена одним числом. Точечная оценка является функцией от экспериментальных данных и, следовательно, сама должна быть случайной величиной, распределенной по закону, зависящему от закона распределения для значений исходной случайной величины Закон распределения значений точечной оценки будет зависеть также от оцениваемого параметра и от числа испытаний (экспериментов).

Точечная оценка бывает следующих видов:

1) несмещенная точечная оценка;

2) эффективная точечная оценка;

3) состоятельная точечная оценка.

Несмещенная точечная оценка – это оценка параметра погрешности, математическое ожидание которой равно этому параметру.

Эффективная точечная оценка – это точечная оценка. дисперсия которой меньше, чем дисперсия другой какой угодно оценки этого параметра.

Состоятельная точечная оценка – это оценка, которая при увеличении числа испытаний стремится к значению параметра, подвергающегося оценке.

Основные методы определения оценок:

1) метод максимального правдоподобия (метод Фишера);

2) метод наименьших квадратов.

1. Метод максимального правдоподобия основывается на идее, что сведения о действительном значении измеряемой величины и рассеивании результатов измерений, полученные путем многократных наблюдений, содержатся в ряде наблюдений.

Метод максимального правдоподобия состоит в поиске оценок, при которых функция правдоподобия проходит через свой максимум.

Оценки максимального правдоподобия – это оценки сред-неквадратического отклонения и оценки истинного значения.

Если случайные погрешности распределены по нормальному закону распределения, то оценка максимального правдоподобия для истинного значения представляет собой среднее арифметическое результатов наблюдений, а оценка дисперсии является средним арифметическим квадратов отклонений значений от математического ожидания.

Преимущества оценок максимального правдоподобия заключается в том, что данные оценки:

1) несмещенные асимптотически;

2) асимптотически эффективные;

3) асимптотически распределены по нормальному закону.

2. Метод наименьших квадратов состоит в том, что из определенного класса оценок берут ту оценку, у которой минимальная дисперсия (самую эффективную). Из всех линейных оценок действительного значения, где присутствуют некоторые постоянные, только среднее арифметическое сводит к наименьшему значению дисперсии. В связи с этим при условии распределения значений случайных погрешностей по нормальному закону распределения оценки, полученные с использованием метода наименьших квадратов, идентичны оценкам максимального правдоподобия. Оценка параметров с помощью интервалов проводится посредством нахождения доверительных интервалов, в пределах которых с заданными вероятностями располагаются действительные значения оцениваемых параметров.

Доверительная граница случайного отклонения – это число, представляющее собой длину доверительного интервала, разделенную пополам.

При достаточно большом количестве испытаний доверительный интервал существенно уменьшается. Если увеличивается число испытаний, то допустимо увеличить число доверительных интервалов.

Обнаружение грубых погрешностей

Грубые погрешности – это погрешности, намного превышающие предполагаемые в данных условиях проведения измерений систематические и случайные погрешности. Промахи и грубые погрешности могут появляться из-за грубых ошибок в процессе проведения измерения, технической неисправности средства измерения, неожиданного изменения внешних условий. Для того чтобы исключить грубые погрешности, рекомендуется до начала измерений приближенно определить значение измеряемой величины.

В случае, если при проведении измерений выясняется, что результат отдельного наблюдения сильно отличается от других полученных результатов, нужно обязательно установить причины такого отличия. Результаты, полученные с резким отличием, можно отбросить и повторно измерить данную величину. Однако в некоторых случаях отбрасывание таких результатов может вызвать ощутимое искажение рассеивания ряда измерений. В связи с этим рекомендуется не отбрасывать необдуманно отличающиеся результаты, а дополнять их результатами повторных измерений.

Если необходимо исключить грубые погрешности в процессе обработки полученных результатов, когда уже нельзя скорректировать условия проведения измерений и провести повторные измерения, то применяются статистические методы.

Общий метод проверки статистических гипотез позволяет выяснить, присутствует ли в данном результате измерений грубая погрешность.

20. Обработка и представление результатов измерения

Обычно измерения являются однократными. При обычных условиях их точности вполне достаточно.

Результат однократного измерения представляется в следующем виде:

где Y i – значение i – го показания;

I – поправка.

Погрешность результата однократного измерения определяется при утверждении метода проведения измерений.

В процессе обработки результатов измерений используются различные виды закона распределения (нормальный закон распределения, равномерный закон распределения корреляционный закон распределения) измеряемой величины (в данном случае она рассматривается как случайная).

Обработка результатов прямых равноточных измерений Прямые измерения – это измерения, посредством которых непосредственно получается значение измеряемой величины Равноточными или равнорассеянными называют прямые, взаимно независимые измерения определенной величины, причем результаты этих измерений могут быть рассмотрены как случайные и распределенные по одному закону распределения.

Обычно при обработке результатов прямых равноточных измерений предполагается, что результаты и погрешности измерений распределены по нормальному закону распределения.

После снятия расчетов вычисляется значение математического ожидания по формуле:

где x i – значение измеряемой величины;

n – количество проведенных измерений.

Затем, если систематическая погрешность определена, ее значение вычитают из вычисленного значения математического ожидания.

Потом вычисляется значение среднеквадратического отклонения значений измеряемой величины от математического ожидания.

Алгоритм обработки результатов многократных равноточных измерений

Если известна систематическая погрешность, то ее необходимо исключить из результатов измерений.

Вычислить математическое ожидание результатов измерений. В качестве математического ожидания обычно берется среднее арифметическое значений.

Установить величину случайной погрешности (отклонения от среднего арифметического) результата однократного измерения.

Вычислить дисперсию случайной погрешности. Вычислить среднеквадратическое отклонение результата измерения.

Проверить предположение, что результаты измерений распределены по нормальному закону.

Найти значение доверительного интервала и доверительной погрешности.

Определить значение энтропийной погрешности и энтропийного коэффициента.

21. Поверка и калибровка средств измерений

Калибровка средств измерений – это комплекс действий и операций, определяющих и подтверждающих настоящие (действительные) значения метрологических характеристик и (или) пригодность средств измерений, не подвергающихся государственному метрологическому контролю.

Пригодность средства измерений – это характеристика, определяющаяся соответствием метрологических характеристик средства измерения утвержденным (в нормативных документах, либо заказчиком) техническим требованиям Калибровочная лаборатория определяет пригодность средства измерений.

Калибровка сменила поверку и метрологическую аттестацию средств измерений, которые проводились только органами государственной метрологической службы. Калибровка, в отличие от поверки и метрологической аттестации средств измерений, может осуществляться любой метрологической службой при условии, что у нее есть возможность обеспечить соответствующие условия для проведения калибровки. Калибровка осуществляется на добровольной основе и может быть проведена даже метрологической службой предприятия.

Но тем не менее метрологическая служба предприятия обязана выполнять определенные требования. Основное требование к метрологической службе – обеспечение соответствия рабочего средства измерений государственному эталону, т. е. калибровка входит в состав национальной системы обеспечения единства измерений.

Выделяют четыре метода поверки (калибровки) средств измерений:

1) метод непосредственного сравнения с эталоном;

2) метод сличения при помощи компьютера;

3) метод прямых измерений величины;

4) метод косвенных измерений величины.

Метод непосредственного сличения с эталоном средства

измерений, подвергаемого калибровке, с соответствующим эталоном определенного разряда практикуется для различных средств измерений в таких сферах, как электрические измерения, магнитные измерения, определение напряжения, частоты и силы тока. Данный метод базируется на осуществлении измерений одной и той же физической величины калибруемым (поверяемым) прибором и эталонным прибором одновременно. Погрешность калибруемого (поверяемого) прибора вычисляется как разность показаний калибруемого прибора и эталонного прибора (т. е. показания эталонного прибора принимаются за настоящее значение измеряемой физической величины).

Преимущества метода непосредственного сличения с эталоном:

1) простота;

2) наглядность;

3) возможность автоматической калибровки (поверки);

4) возможность проведения калибровки с помощью ограниченного количества приборов и оборудования.

Метод сличения с помощью компьютера осуществляется с использованием компаратора – специального прибора, посредством которого проводится сравнение показаний калибруемого (поверяемого) средства измерений и показаний эталонного средства измерений. Необходимость использования компаратора обусловливается невозможностью провести непосредственное сравнение показаний средств измерений, измеряющих одну и ту же физическую величину. Компаратором может быть средство измерения, одинаково воспринимающее сигналы эталонного средства измерения и калибруемого (поверяемого) прибора. Преимущество данного метода в последовательности во времени сравнения величин.

Метод прямых измерений величины используется в случаях, когда есть возможность провести сравнение калибруемого средства измерения с эталонным в установленных пределах измерений. Метод прямых измерений базируется на том же принципе, что и метод непосредственного сличения. Различие между этими методами состоит в том, что при помощи метода прямых измерений осуществляется сравнение на всех числовых отметках каждого диапазона (поддиапазона).

Метод косвенных измерений используется в случаях, когда настоящие (действительные) значения измеряемых физических величин невозможно получить посредством прямых измерений или когда косвенные измерения выше по точности, чем прямые измерения. При использовании данного метода для получения искомого значения сначала ищут значения величин, связанных с искомой величиной известной функциональной зависимостью. А затем на основании этой зависимости находится расчетным путем искомое значение. Метод косвенных измерений, как правило, используется в установках автоматизированной калибровки (поверки).

Для того чтобы передача размеров единиц измерений рабочим приборам от эталонов единиц измерений осуществлялась без больших погрешностей, составляются и применяются поверочные схемы.

Поверочные схемы – это нормативный документ, в котором утверждается соподчинение средств измерений, принимающих участие в процессе передачи размера единицы измерений физической величины от эталона к рабочим средствам измерений посредством определенных методов и с указанием погрешности. Поверочные схемы утверждают метрологическое подчинение государственного эталона, разрядных эталонов и средств измерений.

Поверочные схемы разделяют на:

1) государственные поверочные схемы;

2) ведомственные поверочные схемы;

3) локальные поверочные схемы.

Государственные поверочные схемы устанавливаются и действуют для всех средств измерений определенного вида, использующихся в пределах страны.

Ведомственные поверочные схемы устанавливаются и действуют на средства измерений данной физической величины, подлежащие ведомственной поверке. Ведомственные поверочные схемы не должны вступать в противоречие с государственными поверочными схемами, если они установлены для средств измерений одних и тех же физических величин Ведомственные поверочные схемы могут быть установлены при отсутствии государственной поверочной схемы. В ведомственных поверочных схемах возможно непосредственно указывать определенные типы средств измерений.

Локальные поверочные схемы используются метрологическими службами министерств и действуют также и для средств измерений предприятий, им подчиненных. Локальная поверочная схема может распространяться на средства измерений, использующиеся на определенном предприятии Локальные поверочные схемы в обязательном порядке должны отвечать требованиям соподчиненности, утвержденным государственной поверочной схемой. Составлением государственных поверочных схем занимаются научно-исследовательские институты Госстандарта Российской Федерации Научно-исследовательские институты Госстандарта являются обладателями государственных эталонов.

Ведомственные поверочные схемы и локальные поверочные схемы представляются в виде чертежей.

Государственные поверочные схемы устанавливаются Госстандартом РФ, а локальные поверочные схемы – метрологическими службами либо руководителями предприятий.

В поверочной схеме утверждается порядок передачи размера единиц измерений одной или нескольких физических величин от государственных эталонов рабочим средствам измерений. Поверочная схема должна содержать по меньшей мере две ступени передачи размера единиц измерений.

На чертежах, представляющих поверочную схему, должны присутствовать:

1) наименования средств измерений;

2) наименования методов поверки;

3) номинальные значения физических величин;

4) диапазоны номинальных значений физических величин;

5) допустимые значения погрешностей средств измерений;

6) допустимые значения погрешностей методов поверки.

22. Правовые основы метрологического обеспечения. Основные положения Закона РФ «Об обеспечении единства измерений»

Единство измерений – это характеристика измерительного процесса, означающая, что результаты измерений выражаются в установленных и принятых в законодательном порядке единицах измерений и оценка точности измерений имеет надлежащую доверительную вероятность.

Главные принципы единства измерений:

1) определение физических величин с обязательным использованием государственных эталонов;

2) использование утвержденных в законодательном порядке средств измерений, подвергнутых государственному контролю и с размерами единиц измерения, переданными непосредственно от государственных эталонов;

3) использование только утвержденных в законодательном порядке единиц измерения физических величин;

4) обеспечение обязательного систематического контроля над характеристиками эксплуатируемых средств измерений в определенные промежутки времени;

5) обеспечение необходимой гарантированной точности измерений при применении калиброванных (поверенных) средств измерений и установленных методик выполнения измерений;

6) использование полученных результатов измерений при обязательном условии оценки погрешности данных результатов с установленной вероятностью;

7) обеспечение контроля над соответствием средств измерений метрологическим правилам и характеристикам;

8) обеспечение государственного и ведомственного надзора за средствами измерений.

Закон РФ «Об обеспечении единства измерений» был принят в 1993 г. До принятия данного Закона нормы в области метрологии не были регламентированы законодательно На момент принятия в Законе присутствовало много новшеств начиная от утвержденной терминологии и заканчивая лицензированием метрологической деятельности в стране В Законе были четко разграничены обязанности государственного метрологического контроля и государственного метрологического надзора, установлены новые правила калибровки, введено понятие добровольной сертификации средств измерений.

Основные положения.

Прежде всего цели закона состоят в следующем:

1) осуществление защиты законных прав и интересов граждан Российской Федерации, правопорядка и экономики РФ от возможных негативных последствий, вызванных недостоверными и неточными результатами измерений;

2) помощь в развитии науке, технике и экономике посредством регламентирования использования государственных эталонов единиц величин и применения результатов измерений, обладающих гарантированной точностью. Результаты измерений должны быть выражены в установленных в стране единицах измерения;

3) способствование развитию и укреплению международных и межфирменных отношений и связей;

4) регламентирование требований к изготовлению, выпуску, использованию, ремонту, продаже и импорту средств измерений, производимых юридическими и физическими лицами;

5) интеграция системы измерений Российской Федерации в мировую практику.

Сферы приложения Закона: торговля; здравоохранение; защита окружающей среды; экономическая и внешнеэкономическая деятельность; некоторые сферы производства, связанные с калибровкой (поверкой) средств измерений метрологическими службами, принадлежащими юридическим лицам, проводимой с применением эталонов, соподчиненных государственным эталонам единиц величин.

В Законе законодательно утверждены основные понятия:

1) единство измерений;

2) средство измерений;

3) эталон единицы величины;

4) государственный эталон единицы величины;

5) нормативные документы по обеспечению единства измерений;

6) метрологическая служба;

7) метрологический контроль;

8) метрологический надзор;

9) калибровка средств измерений;

10) сертификат о калибровке.

Все определения, утвержденные в Законе, базируются на официальной терминологии Международной организации законодательной метрологии (МОЗМ).

В основных статьях закона регламентируется:

1) структура организации государственных органов управления обеспечением единства измерений;

2) нормативные документы, обеспечивающие единство измерений;

3) установленные единицы измерения физических величин и государственные эталоны единиц величин;

4) средства измерений;

5) методы измерений.

Закон утверждает Государственную метрологическую службу и другие службы, занимающиеся обеспечением единства измерений, метрологические службы государственных органов управления и формы осуществления государственного метрологического контроля и надзора.

В Законе определяются виды ответственности за нарушения Закона.

В Законе утверждается состав и полномочия Государственной метрологической службы.

В соответствии с Законом создан институт лицензирования метрологической деятельности с целью защиты законных прав потребителей. Правом выдачи лицензии обладают только органы Государственной метрологической службы.

Установлены новые виды государственного метрологического надзора:

1) за количеством отчуждаемых товаров;

2) за количеством товаров в упаковке в процессе их расфасовки и продажи.

В соответствии с положениями Закона увеличивается область распространения государственного метрологического контроля. В нее добавились банковские операции, почтовые операции, налоговые операции, таможенные операции, обязательная сертификация продукции.

В соответствии с Законом вводится основанная на добровольном принципе Система сертификации средств измерений, осуществляющая проверку средств измерений на соответствие метрологическим правилам и требованиям российской системы калибровки средств измерений.

23. Метрологическая служба в России

Государственная метрологическая служба Российской Федерации (ГМС) является объединением государственных метрологических органов и занимается координированием деятельности по обеспечению единства измерений. Существуют следующие метрологические службы:

1) Государственная метрологическая служба;

2) Государственная служба времени и частоты и определения параметров вращения Земли;

3) Государственная служба стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов;

4) Государственная служба стандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществ и материалов;

5) метрологические службы государственных органов управления Российской Федерации;

6) метрологические службы юридических лиц. Руководит всеми вышеуказанными службами Государственный комитет Российской Федерации по стандартизации и метрологии (Госстандарт России).

Государственная метрологическая служба содержит:

1) государственные научные метрологические центры (ГНМЦ);

2) органы ГМС на территории субъектов РФ. Государственная метрологическая служба включает также центры государственных эталонов, специализирующиеся на различных единицах измерения физических величин.

Государственная служба времени и частоты и определения параметров вращения Земли (ГСВЧ) занимается обеспечением единства измерений времени, частоты и определения параметров вращения Земли на межрегиональном и межотраслевом уровнях. Измерительную информацию ГСВЧ используют службы навигации и управления самолетами, судами и спутниками, Единая энергетическая система и др.

Государственная служба стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов (ГССО) занимается созданием и обеспечением применения системы стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов. В понятие материалов включаются:

1) металлы и сплавы;

2) нефтепродукты;

3) медицинские препараты и др.

ГССО занимается также разработкой приборов, предназначенных для сравнения характеристик стандартных образцов и характеристик веществ и материалов, производимых разными типами предприятий (сельскохозяйственными, промышленными и др.) с целью обеспечения контроля.

Государственная служба стандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществ и материалов (ГСССД) занимается разработкой точных и достоверных данных о физических константах, свойствах веществ и материалов (минерального сырья, нефти, газа и пр.). Измерительную информацию ГСССД используют различные организации, занимающиеся проектировкой технических изделий с повышенными требованиями к точности. ГСССД публикует справочные данные, согласованные с международными метрологическими организациями.

Метрологические службы государственных органов управления Российской Федерации и метрологические службы юридических лиц могут быть созданы в министерствах, на предприятиях, в учреждениях, зарегистрированных как юридическое лицо, с целью проведения разного рода работ по обеспечению единства и надлежащей точности измерений, для обеспечения метрологического контроля и надзора.

24. Государственная система обеспечения единства измерений

Государственная система обеспечения единства измерений создана с целью обеспечить единство измерений в пределах страны. Государственная система обеспечения единства измерений реализуется, координируется и управляется Госстандартом Российской Федерации. Госстандарт Российской Федерации является государственным органом исполнительной власти в сфере метрологии.

Система обеспечения единства измерений выполняет следующие задачи:

1) обеспечивает охрану прав и законодательно закрепленных интересов граждан;

2) обеспечивает охрану утвержденного правопорядка;

3) обеспечивает охрану экономики.

Указанные задачи система обеспечения единства измерений выполняет посредством устранения негативных последствий недостоверных и неточных измерений во всех сферах жизнедеятельности человека и общества с использованием конституционны норм, нормативных документов и постановлений правительства Российской Федерации.

Система обеспечения единства измерений действует согласно:

1) Конституции Российской Федерации;

2) Закону РФ «Об обеспечении единства измерений»;

3) Постановлению Правительства Российской Федерации «Об организации работ по стандартизации, обеспечению единства измерений, сертификации продукции и услуг»;

4) ГОСТу Р 8.000–2000 «Государственная система обеспечения единства измерений».

Государственная система обеспечения единства измерений включает в себя:

1) правовую подсистему;

2) техническую подсистему;

3) организационную подсистему.

Главными задачами Государственной системы обеспечения единства измерений являются:

1) утверждение эффективных способов координирования деятельности в сфере обеспечения единства измерений;

2) обеспечение научно-исследовательской деятельности, направленной на разработку более точных и совершенных методик и способов воспроизведения единиц измерения физических величин и передачи их размеров от государственных эталонов рабочим средствам измерений;

3) утверждение системы единиц измерения физических величин, допускаемых к использованию;

4) установление шкал измерений, допускаемых к использованию;

5) утверждение основополагающих понятий метрологии, регламентация используемых терминов;

6) утверждение системы государственных эталонов;

7) изготовление и усовершенствование государственных эталонов;

8) утверждение методов и правил передачи размеров единиц измерения физических величин от государственных эталонов рабочим средствам измерений;

9) проведение калибровки (поверки) и сертификации средств измерений, на которые не распространяется сфера действия государственного метрологического контроля и надзора;

10) осуществление информационного освещения системы обеспечения единства измерений;

11) совершенствование государственной системы обеспечения единства измерений.

Правовая подсистема – это совокупность связанных между собой актов (утвержденных законодательно и подзаконных), имеющих одни и те же цели и утверждающих согласованные между собой требования к определенным, связанным между собой объектам системы обеспечения единства измерений.

Техническая подсистема – это совокупность:

1) международных эталонов;

2) государственных эталонов;

3) эталонов единиц измерения физических величин;

4) эталонов шкал измерений;

5) стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов;

6) стандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществ и материалов;

7) средств измерений и других приборов, используемых для метрологического контроля;

8) зданий и помещений, предназначенных специально для проведения измерений высокой точности;

9) научно-исследовательских лабораторий;

10) калибровочных лабораторий.

Организационная подсистема включает в себя метрологические службы.

25. Государственный метрологический контроль и надзор

Государственный метрологический контроль и надзор (ГМКиН) обеспечивается Государственной метрологической службой для проверки соответствия нормам законодательной метрологии, утвержденным Законом РФ «Об обеспечении единства измерений», государственными стандартами и другими нормативными документами.

Государственный метрологический контроль и надзор распространяется на:

1) средства измерений;

2) эталоны величин;

3) методы проведения измерений;

4) качество товаров и другие объекты, утвержденные законодательной метрологией.

Область применения Государственного метрологического контроля и надзора распространяется на:

1) здравоохранение;

2) ветеринарную практику;

3) охрану окружающей среды;

4) торговлю;

5) расчеты между экономическими агентами;

6) учетные операции, осуществляемые государством;

7) обороноспособность государства;

8) геодезические работы;

9) гидрометеорологические работы;

10) банковские операции;

11) налоговые операции;

12) таможенные операции;

13) почтовые операции;

14) продукцию, поставки которой осуществляются по государственным контрактам;

15) проверку и контроль качества продукции на выполнение обязательных требований государственных стандартов Российской Федерации;

16) измерения, которые осуществляются по запросам судебных органов, прокуратуры и других государственных органов;

17) регистрацию спортивных рекордов государственного и международного масштабов.

Необходимо отметить, что неточность и недостоверность измерений в непроизводственных сферах, таких как здравоохранение, могут повлечь за собой серьезные последствия и угрозу безопасности. Неточность и недостоверность измерений в сфере торговых и банковских операций, например, могут вызвать огромные финансовые потери как отдельных граждан, так и государства.

Объектами Государственного метрологического контроля и надзора могут являться, например, следующие средства измерений:

1) приборы для измерения кровяного давления;

2) медицинские термометры;

3) приборы для определения уровня радиации;

4) устройства для определения концентрации окиси углерода в выхлопных газах автомобилей;

5) средства измерений, предназначенные для контроля качества товара.

В Законе Российской Федерации установлено три вида государственного метрологического контроля и три вида государственного метрологического надзора.

Виды государственного метрологического контроля:

1) определение типа средств измерений;

2) поверка средств измерений;

3) лицензирование юридических и физических лиц, занимающихся производством и ремонтом средств измерений. Виды государственного метрологического надзора:

1) за изготовлением, состоянием и эксплуатацией средств измерений, аттестованными методами выполнения измерений, эталонами единиц физических величин, выполнением метрологических правил и норм;

2) за количеством товаров, которые отчуждаются в процессе торговых операций;

3) за количеством товаров, расфасованных в упаковки любого вида, в процессе их фасовки и продажи.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ПРИБОРЫ

3.1. Роль измерений в электротехнике

В любой области знаний измерения имеют исключительно боль­шое значение, но особенно важны они в электротехнике.

Механические, тепловые, световые явления человек ощущает при помощи своих органов чувств. Мы, хотя и приблизительно, можем оценить размеры предметов, скорость их движения, яркость светящихся тел. Долгое время именно так люди изучали звездное небо.

Но мы с вами совершенно одинаково реагируем на проводник, ток которого равен 10 мА или 1 А (т. е. в 100 раз больше).

Мы видим форму проводника, его цвет, но наши органы чувств не позволяют оценить величину тока. Точно так же мы совершенно равнодушны к магнитному полю, созданному катушкой, электри­ческому полю между обкладками конденсатора. Медицина устано­вила определенное влияние электрических и магнитных полей на организм человека, но это влияние мы не ощущаем, и величину электромагнитного поля оценить не можем.

Исключение составляют только очень сильные поля. Но и здесь неприятное покалывание, которое можно заметить, гуляя око высоковольтной линии передачи, не позволит нам даже приблизительно оценить величину электрического напряжения в линии.

Все это заставило физиков и инженеров с первых шагов исследования и применения электричества пользоваться электроизмерительными приборами.

Приборы - глаза и уши инженера-электрика. Без них он глух и слеп и совершенно беспомощен. Миллионы электроизмерительных приборов установлены на заводах, в научно-исследовательских ла­бораториях. В каждой квартире тоже есть измерительный прибор - электрический счетчик.

Показания (сигналы) электроизмерительных приборов исполь­зуют для оценки работы различных электротехнических устройств и состояния электрооборудования, в частности состояния изоляции. Электроизмерительные приборы отличаются высокой чувствительностью, точностью измерений, надежностью и простотой исполне­ния.

Успехи электроприборостроения привели к тому что его услугами стали пользоваться и другие отрасли. Электрические методы стали при­менять для определения размеров, скоростей, массы, температуры. Появилась даже самостоятельная дисциплина “Электрические изме­рения неэлектрических величин ”.

Показания электроизмерительных приборов можно передавать на дальние расстояния (телеизмерение), они могут использоваться для непосредственного воздействия на производственные процессы (ав­томатическое регулирование); с их помощью регистрируют ход кон­тролируемых процессов, например путем записи на ленте и т.д.

Применение полупроводниковой техники существенно расши­рило применение электроизмерительных приборов.

Измерить какую-либо физическую величину - значит найти ее значение опытным путем с помощью специальных технических средств.

Стендовые испытания новейшего оборудования немыслимы без электрических измерений.Так, при испытании турбогенератора мощностью 1200 МВт на заводе “Электросила” измерения производились в 1500 его точках.

Развитие электроизмерительных приборов привело к использо­ванию в них микроэлектроники, что позволяет измерять физичес­кие величины с погрешностью не более 0,005-0,0005 %.

3.2. Основные понятия, термины и определения

Результаты теоретической деятельности без проверки экспери­ментом недостоверны. Измерительная техника при эксперименте дает результаты, которые указывают на качество и количество про­дукции, правильность ведения технологических процессов, распре­деления, потребления и изготовления. При этом электрические из­мерения за счет малого потребления энергии, возможности передачи измерительных величин на расстояние, большой скорости измере­ний и передачи, а также высокой точности и чувствительности ока­зались предпочтительнее.

Электрические измерения и приборы, методы и средства обес­печения их единства, способы достижения требуемой точности - все это относится к метрологии, а принципы и методы установления оптимальных норм и правил взаимодействия - к стандартизации .

В Российской Федерации стандартизация и метрология объедине­ны в единой государственной службе - Государственном комитете стандартов. В 1963 г. ГОСТ 9867-61 ввел Международную систему единиц (СИ) на базе метра (м ), килограмма (кг ), секунды (с ), ам­пера (А ), кельвина (К ) и канделы (кд ).

Вопросы электрических измерений и приборов проще воспри­нимаются, если известны содержание терминов и определений.

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

Измерение - нахождение значения физической величины опыт­ным путем с помощью специальных технических средств.

Результат измерения - значение физической величины, найден­ной путем измерения.

Мера - средство измерений, предназначенное для воспроизве­дения физической величины заданного размера (например, едини­цы измерения света - кд).

Измерительный преобразователь - средство измерений для выра­ботки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки (или хранения), но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем. Первичный измерительный преобразователь - датчик.

Измерительный прибор - средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, дос­тупной для непосредственного восприятия наблюдателем.

3.3. Методы измерений. Погрешность измерений

Для различных измеряемых электрических величин существуют свои средства измерений , так называемые меры. Например, мерами ЭДС служат нормальные элементы, мерами электрического сопротивления - измерительные резисторы, мерами индуктивности измерительные катушки индуктивности, мерами электрической емкости - конденсаторы постоянной емкости и т. д.

На практике для измерения различных физических величин применяют различные методы. Последние в зависимости от способа получения результата делятся на прямые и косвенные . При прямом измерении значение величины получают непосредственно из опыт­ных данных. При косвенном измерении искомое значение величины находят путем подсчета с использованием известной зависимости между этой величиной и величинами, получаемыми на основании прямых измерений. Так, определить сопротивление участка цепи можно путем измерения протекающего по нему тока и приложенно­го напряжения с последующим подсчетом этого сопротивления из закона Ома. Наибольшее распространение в электроизмерительной технике получили методы прямого измерения, так как они обычно проще и требуют меньших затрат времени.

В электроизмерительной технике используют также метод срав­нения , в основе которого лежит сравнение измеряемой величины с воспроизводимой мерой. Метод сравнения может быть компенса­ционным и мостовым. Примером применения компенсационного метода служит измерение напряжения путем сравнения его значе­ния со значением ЭДС нормального элемента. Примером мостово­го метода является измерение сопротивления с помощью четырех-плечной мостовой схемы. Измерения компенсационным и мостовым методами очень точные, но для их проведения требуется более сложная измерительная техника.

Измерительный прибор – это средство измерения, посредством которого получается значение физической величины, принадлежащее фиксированному диапазону. В конструкции прибора обычно присутствует устройство, преобразующее измеряемую величину с ее индикациями в оптимально удобную для понимания форму.

В соответствии с методом определения значения измеряемой величины выделяют:

1. измерительные приборы прямого действия;
2. измерительные приборы сравнения.

Измерительные приборы прямого действия - это приборы, посредством которых можно получить значение измеряемой величины непосредственно на отсчетном устройстве.

Измерительный прибор сравнения – это прибор, посредством которого значение измеряемой величины получается при помощи сравнения с известной величиной, соответствующей ее мере.

Измерительные приборы могут осуществлять индикацию измеряемой величины по-разному. Выделяют:

1. показывающие измерительные приборы;
2. регистрирующие измерительные приборы.

Отсчетное устройство – конструктивно обособленная часть средства измерений, которая предназначена для отсчета показаний. Отсчетное устройство может быть представлено шкалой, указателем, дисплеем и др.

Измерительная установка – это средство измерения, представляющее собой комплекс мер, ИП, измерительных приборов и прочее, выполняющих схожие функции, используемые для измерения фиксированного количества физических величин и собранные в одном месте. В случае, если измерительная установка используется для испытаний изделий, она является испытательным стендом.

Измерительная система – это средство измерения, представляющее собой объединение мер, Ип, измерительных приборов и прочее, выполняющих схожие функции, находящихся в разных частях определенного пространства и предназначенных для измерения определенного числа физических величин в данном пространстве.

Рабочие средства измерения (РСИ) – это средства измерения, используемые для осуществления технических измерений. Рабочие средства измерения могут использоваться в разных условиях.

Эталоны – это средства измерения с высокой степенью точности, применяющиеся в метрологических исследованиях для передачи сведений о размере единицы. Более точные средства измерения передают сведения о размере единицы и так далее, таким образом образуется своеобразная цепочка, в каждом следующем звене которой точность этих сведений чуть меньше, чем в предыдущем.

Сведения о размере единицы предаются во время проверки средств измерения. Проверка средств измерения осуществляется с целью утверждения их пригодности.

Основные метрологические характеристики измерительных устройств

Приборы контроля параметров технологических процессов

Вопросами теории измерений, средствами обеспечения их единства и способами достижения необходимой точности занимается наука метрология .

Метрология определяет измерение как познавательный процесс, за­ключающийся в нахождении соотношения между измеряемой величиной и другой величиной, условно принятой за единицу измерения. Так, если к - измеряемая величина, а - единица измерения, a т - числовое значение измеряемой величины в принятой единице, то

к = та. (2.1)

Это уравнение является основным уравнением измерения.

В теории измерений различают: прямые, косвенные, совокупные и совместные измерения.

Прямые измерения , характеризуемые равенством (2.1), заключаются в непосредственном сравнении измеряемой величины с единицей измерения при помощи меры или измерительного прибора со шкалой, выраженной в этих единицах. Большую часть физических величин определяют не путем непосредственных измерений, а с помощью вычислений, пользуясь из­вестными функциональными зависимостями.

Измерения, при которых искомую измеряемую величину определяют вычислениями по результатам прямых измерений, связанных с искомой величиной известной функциональной зависимостью, называют косвенны­ми измерениями . При этом значение измеряемой величины определяют по формуле

Q = f(A,B,C, ...,), (2.2)

где A, B, C - значения величин, полученные при прямых измерениях. Приме­рами косвенных измерений могут служить: определение объема тела по пря­мым измерениям его геометрических размеров, расхода вещества, протекаю­щего в трубопроводе, по перепаду давлений на дроссельном устройстве и т.п.

Совокупными измерениями называют такие, при которых искомые значения величин находят с помощью системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин.

Совместными измерениями называются производимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для нахождения зависимости между ними.

2.1. Характеристика средств измерения

В состав измерительной аппаратуры входят меры, измерительные приборы и вспомогательные устройства . По назначению меры и измерительные приборы бывают образцовыми и рабочими .

Образцовые меры и измерительные приборы служат для воспроизве­дения и хранения единиц измерения, а также для градуировки и поверки рабочих измерительных устройств.

Рабочие меры и измерительные приборы предназначены для прямого или косвенного сравнения измеряемых величин с соответствующими еди­ницами измерения или мерами и разделяются на две группы - лаборатор­ные и технические. Лабораторные меры и измерительные приборы харак­теризуются установленной точностью, и при их применении в результат измерения следует вносить поправки в соответствии с паспортными дан­ными, а также учитывать влияние внешних факторов. Для технических мер и измерительных приборов точность принимается заранее заданной, и в ре­зультат измерения, который считается точным в установленных техниче­скими условиями или государственными стандартами пределах нормируе­мых метрологических характеристик, не требуется вносить какие-либо по­правки.

В общем случае под измерительным прибором понимается средство измерения, предназначенное для выработки сигналов измерительной ин­формации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблю­дателем. По способу выдачи информации измерительные приборы могут быть показывающими или регистрирующими , а при наличии устройств сигнализации - сигнализирующими.

Метрологические характеристики измерительных устройств, опреде­ляющие достоверность получаемой информации, т.е. главную функцию средств измерений, служат основными критериями их качества. В число нормируемых метрологических характеристик средств измерений входят следующие показатели:

1. Пределы измерения (в виде номинальной статической характери­стики, наименьшей цены деления неравномерной шкалы измерительного устройства, выходного кода или номинальной цены единицы измерения).

2. Нормы точности измерения (погрешности средств измерения, ди­намические характеристики, чувствительность, стабильность и вариация показаний и т.д.).

3. Виды, способы, выражения и методы нормирования погрешностей.

4. Методы аттестации и испытаний.

Под номинальной статической характеристикой средства измерения понимается функциональная зависимость выходного сигнала (перемеще­ние отсчетного устройства и т.п.) от измеряемого параметра А (выходного сигнала) при заданных внешних условиях и в установившемся состоянии системы. Статическая характеристика будет линейной лишь в случае по­стоянства дифференциальной чувствительности S для всего рабочего диа­пазона значений А, когда

S = = = const (2 3)

Минимальное значение X 0 измеряемой величины, которое способно вызвать наименьшее заметное перемещение указателя или изменение вы­ходной величины, называется порогом чувствительности .

Под постоянной прибора понимается число единиц измерения, на ко­торое надо умножить отсчет (число, определяемое положением отсчетного устройства) для получения показания в определенных единицах измере­ния. В большинстве измерительных приборов отсчетные устройства вы­полнены в виде шкалы и указателя. Шкала представляет собой совокуп­ность отметок, расположенных вдоль какой-либо линии. Начало и конец шкалы, соответствующие нижнему и верхнему пределам измерения, опре­деляют диапазон измерения. Инерционность средств измерений в процессе перехода параметра от одного установившегося значения к другому оце­нивается динамическими характеристиками, такими, как постоянная вре­мени, время установления показаний и т.п. Важными характеристиками измерительных устройств являются погрешности.

Погрешностью из­мерительного устройства называется разность между результатом из­мерения X некоторой величины и ее действительным значением Х 0:

А = X - Х 0 , (2.4)

где А - есть основная количественная характеристика измерения, называе­мая абсолютной погрешностью . Относительная погрешность , равная от­ношению абсолютной погрешности к действительному значению измеряе­мой величины, выражается в процентах:

δ = 100/Хо

В связи с этим погрешно­сти измерительных устройств могут быть классифицированы так:

статические и динамические , в зависимости от условий и режимов эксплуатации;

систематические, случайные и грубые , в зависимости от характера их проявления и возможностей устранения.

Статической погрешностью называется погрешность, возникающая при установившемся значении измеряемой величины и неизменных внеш­них условиях.

Динамической погрешностью называется погрешность, возникающая при изменении измеряемой величины и внешних воздействий.

Систематическими погрешностями называются постоянные по вели­чине и знаку или изменяющиеся по определенному закону погрешности, повторяющиеся при многократных измерениях. Систематические погреш­ности определяются путем многократных измерений одной и той же вели­чины при постоянных прочих условиях и устраняются посредством регу­лировочных устройств или введением коррекции с помощью специальных элементов. Систематические погрешности подразделяют на прогресси­рующие и периодические. Прогрессирующими называются непрерывно возрастающие или убывающие погрешности. К ним относятся погрешно­сти от износа деталей, контактов и т.п. Периодическими называются по­грешности, изменяющиеся по величине и знаку, возникающие при функ­ционировании измерительных устройств.

Случайные погрешности представляют собой погрешности, неопреде­ленным образом изменяющиеся по величине и знаку. Они определяют точность измерительного устройства. По случайным погрешностям произ­водится оценка точности как самих измерительных устройств, так и мето­дов измерения. Вследствие случайной погрешности истинное значение из­меряемой величины неизвестно, поэтому при подсчете случайных погреш­ностей за измеренное значение принимают среднее арифметическое X из полученных N измерений Xi,

2.1. Информационная характеристика процесса измерения

Всякое измерение можно рассматривать как цепь преобразований из­меряемой величины до тех пор, пока результат измерений не будет пред­ставлен в том виде, который требовалось получить.

Процесс измерения характеризуется передачей информации о значе­нии измеряемой величины от одного носителя ее к другому, т.е. преобра­зованием информации о значении измеряемой величины в результат изме­рений. Это означает, что в информационном аспекте измерение можно рассматривать как процесс приема и преобразования информации от изме­ряемой величины в целях получения количественного результата путем сравнения с принятой шкалой или единицей измерения в форме, наиболее удобной для дальнейшего использования ее человеком и машиной.

Для ус­тановления связи между точностью измерений и количеством получаемой при измерениях информации используют основные положения теории ин­формации. При этом под термином "информация " понимают совокупность сведений о каком-либо объекте, процессе или явлении, в общем случае - о физической системе.

Задачей получения информации является устранение неопределенности в наших представлениях о состоянии некоторой физи­ческой системы и установление количественных закономерностей, связан­ных с получением, обработкой и хранением информации.

Таким образом, получение любой информации, в том числе и измери­тельной, теория информации рассматривает как устранение некоторой не­определенности, а количество информации рассматривается как разность ситуации до и после получения данного сообщения. В настоящее время, по мнению специалистов, развивающих и использующих информационную теорию измерительных устройств, использование методов теории инфор­мации обеспечит более эффективную оценку качества приборов.

2.2. Надзор за измерительной техникой

Обеспечение единства измерений и поддержания в надлежащем со­стоянии средств измерений во всех отраслях народного хозяйства осуще­ствляется единой метрологической службой страны, возглавляемой Гос­стандартом РФ и состоящей из государственной метрологической службы и ведомственных метрологических служб. Государственная метрологиче­ская служба имеет ряд научно-исследовательских институтов и управле­ний Госстандарта РФ. В ведении последних находятся территориальные центры метрологии и стандартизации, межобластные, областные (краевые) и межрайонные лаборатории государственного надзора за стандартами и измерительной техникой.

Основными задачами государственной метрологической службы яв­ляются: - осуществление государственного надзора за измерительной тех­никой,

Разработка нормативно-технических документов государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ) и контроль за их выпол­нением,

Создание и совершенствование эталонной базы и парка образцо­вых средств измерений,

ГСИ представляет собой ком­плекс установленных государственными стандартами правил, положений, требований и норм, определяющих организацию и методику работ по оценке и обеспечению точности измерений. Эти стандарты регламентиру­ют: единицы физических величин, методы и средства воспроизведения этих единиц и передачи их размеров рабочим средствам измерений, спосо­бы выражения нормируемых метрологических характеристик средств из­мерений и показателей точности результатов измерений; требования к ме­тодике выполнения измерений; порядок и методику проведения государст­венных испытаний, поверки и ревизии средств измерений.

Одной из основных обязанностей государственной метрологической службы является обеспечение государственного надзора за измерительной техникой. Надзору подлежат: производство, состояние, эксплуатация и ре­монт мер и измерительных приборов, а также деятельность ведомственных метрологических служб. Органы Госстандарта РФ имеют право запрещать выпуск в обращение средств измерений, не соответствующих требованиям государственных стандартов и технических условий, изымать из обраще­ния непригодные меры и измерительные приборы, производить обязатель­ную государственную поверку средств измерений, производить государст­венные испытания и аттестацию новых измерительных приборов.

Все ме­ры и измерительные приборы, предназначенные для серийного производ­ства и выпуска в обращение, подвергаются государственным испытаниям. В процессе испытаний устанавливается соответствие приборов запросам народного хозяйства, современному уровню измерительной техники и тре­бованиям стандартов. При положительных результатах государственных испытаний приборов Госстандарт РФ разрешает их производство и выпуск в обращение и включает в государственный реестр.

Для обеспечения необходимой точности измерений установлен опре­деленный порядок организации и проведения поверки средств измерений. Все средства измерений подлежат государственной или ведомственной поверке.

Государственной поверке, выполняемой системой Госстандарта РФ, подвергаются средства измерения, применяемые в органах государствен­ной метрологической службы, исходные образцовые приборы, используе­мые в органах ведомственных метрологических служб, а также рабочие средства измерений, применяемые для учета и взаимных расчетов, обеспе­чения техники безопасности охраны окружающей среды и здоровья насе­ления. Перечень рабочих средств измерений, подлежащих обязательной государственной поверке, и периодичность этой поверки для отдельных групп приборов устанавливаются Госстандартом РФ.

Ведомственная поверка осуществляется органами ведомственных метрологических служб отдельных предприятий, организаций и учрежде­ний, имеющих разрешение органов Госстандарта РФ на проведение пове­рочных работ. Этой поверке подлежат все средства измерений, используе­мые в народном хозяйстве, не охватываемые государственной поверкой. Поверка средств измерений проводится в соответствии с требованиями Го­сударственных стандартов, инструкций и методических указаний Госстан­дарта РФ к методам и средствам поверки. Приборы, признанные в резуль­тате поверки не отвечающими своему классу точности или неисправными, не допускаются к дальнейшему применению до устранения выявленных недостатков. На приборы, признанные годными, наносятся клейма или вы­писываются свидетельства. При необходимости ограничить доступ к меха­низмам приборов. После их поверки корпуса приборов пломбируются.

При участии в государственных комиссиях по приемке вновь смонтированного и реконструированного технологического оборудования взрывопожаро­опасных производств с наличием средств автоматики работникам пожар­ной охраны необходимо обращать внимание на выполнение требований соответствующих нормативных документов Госстандарта по поверке при­боров и их клеймению. Это снижает возможность взрывопожароопасных ситуаций на объектах, а в случае пожара и взрыва приборы, прошедшие поверку, будут объективно отражать предаварийную ситуацию и ход раз­вития аварии, приведшей к пожару.

ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ПРОЦЕССОВ

3.1. Контрольно-измерительные приборы температуры

Для измерения температуры используют изменение какого-либо фи­зического свойства тела, однозначно зависящего от его температуры и лег­ко поддающегося измерению.

К числу свойств, положенных в основу работы приборов для измере- ния температуры, относятся: объемное расширение тел, изменение давле­ния вещества в замкнутом объеме, возникновение термоэлектродвижущей силы, изменение электрического сопротивления проводников и полупро­водников, интенсивность излучения нагретых тел и др.

В зависимости от физических свойств, на которых основано действие приборов для измерения температуры, различают:

1. Термометры расширения, построенные по принципу измене­ния объема жидкости или линейных размеров твердых тел при изменении температуры. Применяются для измерения температуры от -190 до +500 0 С.

2. Манометрические термометры, основанные на изменении давления жидкости, газа или пара в замкнутом объеме при изменении тем­пературы. Применяются для измерения температур от -120 до +600 0 С.

3. Термоэлектрические пирометры (термопары), прин­цип действия которых основан на возникновении электродвижущей силы при изменении температуры одного из спаев замкнутой цепи разнородных термоэлектродов. Применяются для измерения температуры от -200 до +2000 0 С.

4. Термометры сопротивления, основанные на изменении электрического сопротивления проводника или полупроводника при изме­нении температуры. Применяются для измерения температуры от -200 до +650 0 С.

5. Пирометры излучения, работающие по принципу изменения интенсивности излучения нагретых тел в зависимости от изменения тем­пературы. Применяются для измерения температур от +600 до +6000 0 С.

3.2. Контрольно-измерительные приборы давления

Давление определяется отношением силы, равномерно распределен­ной по площади и нормальной к ней, к размеру этой площади. В зависимо­сти от измеряемой величины приборы для измерения давления делятся на:

манометры - для измерения средних и больших избыточных давлений;

вакуумметры - для измерения средних и больших разрежений;

мановакуумметры - для измерения средних и больших давлений и разрежений;

напоромеры - для измерения малых избыточных давлений;

тягомеры - для измерения малых разрежений;

тягонапоромеры - для измерения малых избыточных давлений и

разрежений;

дифманометры - для измерения разности перепада давлений;

барометры - для измерения атмосферного давления.

По принципу действия различают следующие приборы для измерения давления: жидкостные, пружинные, поршневые, электрические радиоак­тивные.

Жидкостные приборы. В этих приборах измеряемое давление или разрежение уравновешивается гидростатическим давлением столба рабо­чей жидкости, в качестве которой применяются ртуть, вода, спирт и др.

Пружинные приборы. Измеряемое давление или разрежение уравно­вешивается силами упругого противодействия различных чувствительных элементов (трубчатой пружины, мембраны, сильфона и т.п.), деформация которых, пропорциональная измеряемому параметру, передается посред­ством системы рычагов на стрелку или перо прибора.

Поршневые манометры. Давление определяется по значению на­грузки, действующей на поршень определенной площади, перемещаемый в заполненном маслом цилиндре; поршневые манометры имеют высокие классы точности, равные 0,02; 0,05; 0,2 .

Электрические приборы. Действие этих приборов основано на изме­рении электрических свойств (сопротивление, емкость, индуктивность и т.п.) некоторых материалов при воздействии на них внешнего давления.

Пьезоэлектрические приборы. В этих приборах используется пьезо­электрический эффект, заключающийся в возникновении электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов (кварца, сегнетовой соли, турмалина) при приложении к ним силы в определенном направлении.

Радиоактивные приборы. Давление определяется изменением сте­пени ионизации или степени поглощения у-лучей при изменении плотно­сти вещества.

3.3. Контрольно-измерительные приборы уровня

Уровнемеры для жидкостей по принципу действия делятся на указа­тельные стекла, поплавковые, гидростатические, электрические и радиоак­тивные.

Указательные или уровнемерные стекла представляют собой вер­тикально расположенную стеклянную трубку, в которой жидкость, как в сообщающихся сосудах, устанавливается на той же высоте, что и в аппара­те. Указательные стекла применяются для местного измерения уровня в аппаратах.

Поплавковые уровнемеры. В этих приборах чувствительным эле­ментом является поплавок с меньшим (плавающий) или большим (по­гружной) удельным весом, чем жидкость. Изменение уровня жидкости в аппарате вызывает перемещение поплавка, которое при помощи системы рычагов, тяг и тросов передается указателю, движущемуся по шкале, или вторичному прибору для отсчета, записи.

Гидростатические уровнемеры служат для измерения гидростатиче­ского давления столба жидкости, уровень которой определяется. Различа­ют гидростатические пьезометрические и дифманометрические уровнеме­ры. Действие гидростатических пьезометрических уровнемеров основано на использовании давления воздуха или газа, барботирующего через слой жидкости с измеряемым уровнем при изменении последнего.

Действие гидростатических дифманометрических уровнемеров осно­вано на определении уровня по давлению столба измеряемой жидкости, которое уравновешивается давлением постоянного столба жидкости.

Электрические уровнемеры. Наиболее широко распространены уровнемеры емкостные и омические.

В электрических емкостных уровнемерах чувствительным элементом является конденсатор, обкладки которого располагаются с противополож­ных сторон вертикальной трубки из диэлектрика, соединенной с аппаратом подобно сообщающимся сосудам. Если одной обкладкой конденсатора яв­ляется электрод, то другой - стенка аппарата. При изменении уровня жид­кости емкость конденсатора, включенного в одно из плеч моста перемен­ного тока, изменяется, и на вход вторичного прибора подается сигнал, пропорциональный величине измеряемого уровня.

Действие электрических омических уровнемеров, применяемых для определения уровня электропроводных жидкостей, основано на измерении сопротивления между электродами соответствующей формы, введенными в жидкость. При этом сопротивление слоя жидкости между электродом и корпусом или между двумя электродами зависит от высоты уровня жидко­сти в аппарате.

Радиоактивные уровнемеры. Измерение уровня жидкости основано на измерении интенсивности поглощения у-частиц при изменении уровня жидкости.

3.4. Контрольно-измерительные приборы расхода

Объемным расходом g называют объемное количество вещества V, которое протекает через поперечное сечение трубопровода в единицу времени т,

где р - плотность вещества, кг/м 3 .

Приборы, предназначенные для измерения расхода, называются рас - ходомерами, а измеряющие количество вещества, которое протекает через поперечное сечение трубопровода в течение отрезка времени, - счетчиками.

По принципу действия расходомеры можно разделить на расходомеры переменного и постоянного перепадов давлений, переменного уровня.

Расходомеры переменного перепада давлений. Действие этих при­боров основано на возникновении перепада давлений на установленном внутри трубопровода сужающемся устройстве постоянного сечения. Раз­ность статических давлений до и после сужающегося устройства (перепад давлений), измеряемая дифференциальным манометром, зависит от расхо­да протекающего вещества и может служить мерой расхода.

Расходомеры постоянного перепада давлений (ротаметры). Дейст­вие этих приборов основано на перемещении чувствительного элемента (поплавка), установленного в вертикальной конической трубке; через нее снизу подается вещество, расход которого измеряется. При изменении рас­хода жидкости, газа или пара поплавок перемещается вверх и изменяется проходное отверстие трубки. Высота подъема поплавка функционально связана с расходом. При этом перепад давления на поплавке при переме­щении его вдоль оси трубки остается практически постоянным.

Расходомеры переменного уровня. Действие этих приборов основа­но на изменении высоты уровня жидкости в сосуде при непрерывном по­ступлении и свободном истечении ее из сосуда.

Существуют и другие виды расходомеров, действие которых основано на некоторых физических закономерностях (изменении электрических па­раметров, теплоотдачи к потоку, уменьшении интенсивности ультразвука или радиоактивного излучения в зависимости от расхода).

3.5. Автоматический уравновешенный мост

Уравновешенный мост предназначен для непрерывного измерения, записи и регулирования температуры. Он работает в комплекте с термо­метрами сопротивлений стандартных градуировок, т.е. имеет соответствие заданного предела измерения - градуировки термометра сопротивлений. Это означает, что каждому прибору соответствует определенная группа термометров сопротивлений единой градуировки. Сущность действия тер­мометров сопротивления основана на зависимости его электрического со­противления от температуры.

Принципиальная измерительная схема рассматриваемого прибора - мостовая. Измерения неэлектрических величин электрическими методами очень широко распространены в электротехнике и автоматике. Мостовой измерительной схемой пользуются более 100 лет, а возможность измере­ния

Под условием равновесия подразумевается такое соотношение сопро­тивлений моста, при которой на вершинах измерительной диагонали раз­ность потенциалов U bd = 0 ив цепи измерения отсутствует выходной сиг­нал. Состоянию U bd = 0 соответствует равенство падений напряжений со­ответственно в прилежащих плечах, т.е.

Ui = U4 и U2 = U3. (3.1)

По закону Ома

Ui = I1R1; U2 = I1R2; U3 = I2R3; U4 = I2R4. (3.2)

Подставляя в равенство падений напряжений (3.1) их значения, выра­женные через токи и сопротивления (3.2), и поделив почленно, получаем:

I1R1/I1R2 = WI2R3 (3.3)

или, сократив значения токов I 1 и I 2 , имеем равенство:

R1R3 = R2R4, (3.4)

которое называется классическим условием равновесия мостовой схемы, читаемое так: "Если произведения сопротивлений противолежащих плеч мостовой схемы равны между собой, то на вершинах измерительной диа­гонали отсутствует разность потенциалов". Этот метод называется нуле- вымметодом измерения сопротивлений.

Принципиальная схема равновесного моста приведена на рис. 3.2.

Медный или платиновый термометр сопротивления R t , электрическое сопротивление которого должно быть измерено, включается в одно из плеч

моста при помощи соединительных проводов, имеющих сопротивления R. Другие плечи моста состоят из постоянных манганиновых сопротивлений Rmt и переменного калиброванного сопротивления реохорда R p , выполнен­ного также из манангина. К одной диагонали моста подведено питание по­стоянного или переменного тока, в другую включен нуль-индикатор. При равновесии моста удовлетворяется равенство:

R\Rt = R2R4, (3.5)

откуда с учетом сопротивлений реохорда запишем:

(Rx+rx)Rt = (R2+r2)R4. (3.6)

В этом случае разность потенциалов между точками bd равна нулю, ток не протекает через нуль-гальванометр и его стрелка установится на ну­левой отметке. При изменении температуры электрическое сопротивление термометра сопротивления изменится и мост разбалансируется. Чтобы восстановить равновесие, необходимо при постоянных сопротивлениях Ri, R 2 и R 4 изменить величину сопротивления реохорда, переместив его под­вижный контакт.

Таким образом, если откалибровать сопротивление реохорда, то по положению его движка при равновесии моста можно судить о величине сопротивления R 1 , следовательно, об измеряемой температуре.

Рис. 3.3. Принципиальная схема электронного равновесного моста

электрическое сопротивление. Измерительный мост, состоящий из посто­янных и переменных сопротивлений (R 1 , R 2 и R 4) и питающийся напряже­нием (6,3 В) от одной из обмоток силового трансформатора, разбалансиру­ется, и в диагонали моста между точками b и d появится напряжение неба­ланса U bd . Последнее подается на вход электронного усилителя (ЭУ), где усиливается по напряжению и мощности, затем поступает на реверсивный двигатель РД и приводит в движение его ротор. Вращаясь в ту или иную сторону, в зависимости от знака разбаланса, ротор реверсивного двигателя перемещает механически с ним связанные движок реохорда R p , стрелку и перо по шкале прибора до тех пор, пока измерительный мост не придет в состояние равновесия. Напряжение на входе электронного усилителя (ЭУ) в этом случае станет равным нулю, электродвигатель РД остановится, а прибор покажет измеряемую температуру.

Точность показаний прибора зависит от подгонки сопротивлений про­водов, соединяющих термометр сопротивления с автоматическим равно­весным мостом. Для подгонки сопротивлений соединительных проводов до градуировочного значения служат сопротивления R y и R" y величиной до 2,5 Ом каждое. При градуировке приборов сопротивление каждого прово­да, идущего от термометра до прибора, принято (2,5+0,01) Ом. Если сопро­тивление каждого провода будет меньше 2,5 Ом, то в соединительную ли­нию последовательно включается добавочное сопротивление, дополняю­щее сопротивление каждого провода до 2,5 Ом.

В производственных условиях термометр сопротивления может нахо­диться на значительном удалении от вторичного прибора, при колебаниях температуры среды величина их сопротивления будет изменяться, что приведет к дополнительной погрешности в показаниях автоматического равновесного моста. Для устранения погрешности применяется трехпро­водная схема соединений термометра сопротивления с вторичным прибо­ром, заключающаяся в том, что точка с (рис. 3.4) переносится непосредст­венно к термометру сопротивления. При таком соединении сопротивление

провода R прибавляется к плечу измерительного моста, а сопротивление

R к плечу с постоянным сопротивлением. Тогда условие равновесия мос­товой схемы будет иметь вид:

(R1+rR1)(Rt+R l)) = (R2+rR 2 +R^)R4. (3.7)

Измерительная схема автоматического равновесного моста может также питаться от сухой батареи постоянного тока или от аккумулятора с напряжением 1,2-1,5 В. В таком случае электронный усилитель прибора должен иметь вибропреобразователь для преобразования сигнала небалан­са постоянного тока в переменный с целью его последующего усиления.

В связи с этим равновесные мосты постоянного тока применяются при возможном появлении в измерительной цепи различных наводок (на­пример, при монтаже термометра сопротивления в электропечах или мес­тах с большими магнитными полями). Кроме того, мосты постоянного тока используют в тех случаях, когда по условиям эксплуатации приборов и пожарной безопасности их питание осуществляется маломощными источ­никами постоянного тока.

Конструктивно автоматический самопишущий равновесный мост представляет собой стационарный прибор, все узлы которого размещены внутри стального корпуса. Запись показаний осуществляется на диаграмм­ной бумаге, перемещаемой синхронным двигателем.

Промышленность выпускает показывающие и записывающие на дис­ковой диаграмме автоматические равновесные мосты, показывающие и за­писывающие на ленточной диаграмме мосты КСМ2, КСМ3, КСМ4, пока­зывающие мосты с вращающейся шкалой и другие модификации. Принци­пиальные схемы их подобны рассмотренной схеме автоматического равно­весного моста и отличаются только конструкцией отдельных узлов.

Однако рассмотренный выше тип электронного прибора имеет и ряд недостатков:

малый диапазон измерения температуры (до 600 0 С);

термометр сопротивления, устанавливаемый в технологических аппаратах, должен размещаться в объеме продукта;

вторичный прибор не имеет специальных средств взрывозащиты и ус­танавливается только в помещениях КИПиА.

3.6. Автоматический потенциометр

Автоматический потенциометр предназначен для измерения, записи и регулирования температуры. Работает он в комплекте с термопа­рами стандартных градуировок, применяется для измерения температур от -200 до + 2000 0 С. В качестве конструкционных материалов для электро­дов термопары используются: железо-копель, копель-алюмель, хромель- алюмель, платина-платинородий и др. Зависимость термоэлектродвижу­щей силы (ТЭДС) от изменения температуры носит линейный характер.

В электронных потенциометрах применяется потенциометрический (компенсационный) метод измерения, который основан на уравновешива­нии (компенсации) измеряемой ТЭДС известной разностью потенциалов, образованной вспомогательным источником питания.

Из принципиальной схемы (рис. 3.5) видно, что термопара подключе­на так, что ее ток на участке Rад идет в том же направлении, что и от ис­точника питания Б, а разность потенциалов между точкой А и любой про­межуточной точкой Д пропорциональна сопротивлению Rад.

Передвигая подвижный контакт Д, при условии, что Eju < Еб, можно найти такое его положение, при котором ток в цепи термопары будет равен 0, т.е. ТЭДС термопары может быть измерена значением падения напря­жения на участке сопротивления RAд. Схема такого вида широко использу­ется для измерения температуры в переносных приборах.

Недостаток рассмотренной схемы состоит в том, что ТЭДС зависит от постоянства тока в цепи реохорда.

Варьирование рабочего тока в цепи реохорда может вносить погреш­ности в результаты измерения. Установка необходимой величины рабочего тока и контроль его постоянства производят также компенсационным ме­тодом (рис. 3.6).

Схема имеет три цепи:

цепь источника тока (источник тока Б, установочное сопротивление, постоянное сопротивление, реохорд с подвижным контактом Д);

цепь нормального элемента (нормальный элемент НЭ, постоянное со­противление, измерительный прибор ИП);

цепь термопары (термопара ТП, измерительный прибор ИП, часть пе­ременного сопротивления реохорда).

В режиме контроля переключатель устанавливают в положение К, подключая нормальный элемент к концам сопротивления Rh.3 (ЭДС источ­ника питания Б направлена навстречу ЭДС нормального элемента). При снижении величины рабочего тока его регулируют установочным сопро­тивлением и добиваются такого положения, при котором разность потен­циалов на концах сопротивления Rh.3 не станет равна ЭДС нормального элемента. Ток в цепи измерительного прибора станет равным нулю. Если R ycT не удается установить рабочий ток, то батарею заменяют. В режиме измерения переключатель устанавливают в положение И, подключая тем самым термопару последовательно с нормальным элементом, реохордом в точке А и подвижным контактом Д. ТЭДС термопары в этом случае будет направлена в противоположную сторону ЭДС источника Б. Перемещая контакт Д, находят такое его положение, при котором разность потенциа­лов между точкой А и контактом Дреохорда равна ТЭДС термопары.

В приборах серии ГСП питание измерительной схемы осуществляется стабилизированным источником, что упрощает конструкцию и эксплуата­цию.