Основные понятия и термины в области метрологии

Метрология — наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности; подразделяется на теоретическую, прикладную и законодательную.

Теоретическая метрология занимается вопросами фундамен­тальных исследований, созданием системы единиц измерений, физических постоянных, разработкой новых методов измере­ния.

 Прикладная (практическая) метрология занимается вопроса­ми практического применения в различных сферах деятельнос­ти результатов теоретических исследований в рамках метроло­гии.

Законодательная метрология включает совокупность взаи­мообусловленных правил и норм, направленных на обеспече­ние единства измерений, которые возводятся в ранг правовых положений (уполномоченными на то органами государствен­ной власти), имеют обязательную силу и находятся под контро­лем государства.

Объектами метрологии являются единицы величин, средства измерений, эталоны, методики выполнения измерений.

Традиционным объектом метрологии являются физические величины.

Измерение — совокупность операций по применению техни­ческого средства, хранящего единицу величины, обеспечивающих нахождение соотношения измеряемой величины с ее еди­ницей в явном и неявном виде и получение значения этой ве­личины [38].

В метрологии измерение по существу является процессом на­хождения физической величины опытным путем с помощью средств измерительной техники.

Метрологическая служба — совокупность субъектов деятельности и видов работ, направленных на обеспечение единства измерений.

Метрологическая служба – это сеть организаций, отдельных организаций или отдельных подразделений, на которые возложена ответственность за обеспечение единства измерений.

Погрешность измерений — разность между результатом измерений и истинным значением измеряемой величины.

Средство измерения — техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу величины, размер которой принимается неизменным в пределах установленной погрешности в течение известного интервала времени.

Эталон единицы величины — средство измерений, предназначенное для воспроизведения и хранения единицы величины, кратных или дольных ее значений с целью передачи ее размера другим средствам измерений данной величины.

Единство измерений — состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах величин, а погрешности измерений не выходят за установленные границы с заданной вероятностью. Обеспечение единства измерений является одной из главных задач метрологии.

Первым условием обеспечения единства измерений является представление результатов измерений в узаконенных единицах, которые были бы одними и теми же всюду, где проводятся измерения и используются их результаты. В России, как и в большинстве других стран, узаконенными являются единицы величин Международной системы единиц, принятой Генеральной конференцией по мерам и весам, рекомендованные Международной организацией законодательной метрологии. Второе условие единства измерений – погрешность измерений не превышает (с заданной вероятностью) установленных пределов. Погрешности измерений средства измерений указываются в придаваемом к нему техническом документе – паспорте, ТУ и пр.

Основы техники измерений

Общая характеристика объектов измерений

Основным объектом измерения в метрологии являются физические величины.

Физическая величина применяется для описания материальных систем и объек­тов (явлений, процессов и т.п.), изучаемых в любых науках. Существуют основные и производные величины. В качестве основных выбирают величины, которые характеризуют фундаментальные свойства материального мира. ГОСТ 8.417 устанавливает семь основных физических величин — длину, мас­су, время, термодинамическую температуру, количество веще­ства, силу света, силу электрического тока, с помощью которых создается все многообразие производных физических величин и обеспечивается описание любых свойств физических объек­тов и явлений.

Измеряемые величины имеют качественную и количествен­ную характеристики.

Формализованным отражением качественного различия измеряемых величин является их размерность.

Каждый показатель размерности может быть положитель­ным или отрицательным, целым или дробным, нулем. Если все показатели размерности равны нулю, то величина называется безразмерной. Она может быть относительной, определяемой как отношение одноименных величин (например, относитель­ная- диэлектрическая проницаемость), и логарифмической, оп­ределяемой как логарифм относительной величины (например, логарифм отношения мощностей или напряжений).

Количественной характеристикой измеряемой величины служит ее размер. Получение информации о размере физичес­кой или нефизической величины является содержанием любого измерения.

Виды измерений

В метрологии существует множество видов измерений, и число их постоянно увеличивается (рис. 14).

Измерения различают по способу получения информации, характеру изменений измеряемой величины в процессе измерений, количеству измерительной информации, отношению к основным единицам.

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

Прямые измерения – наиболее простые, состоящие в непосредственном сравнении физической величины с ее мерой. Например, при определении длины предмета линейкой происходит сравнение искомой величины (количественного выражения значения длины) с мерой, т.е. линейкой.

Косвенные измерения отличаются от прямых тем, что искомое значение величины устанавливают по результатам прямых измерении таких величин, которые связаны с искомой определенной известной зависимостью.

Рис.14. Виды измерений

Например, объем параллелепипеда находят умножением трех линейных величин (длины, ширины и высоты); электрическое сопротивление – делением падения напряжения на силу электрического тока.

Совокупные измерения осуществляются одновременными прямыми измерениями нескольких одноименных величин, при которых искомое значение находят решением системы уравнений, составляемых в результате измерений различных сочетаний этих величин. При определении взаимоиндуктивности катушки, к примеру, используют два метода: сложения и вычитания полей.

Совместные измерения – это производимые одновременно (прямые и косвенные) измерения двух или более неодноименных физических величин для определения зависимости между ними.

Совокупные и совместные измерения чаще всего применяют в измерениях различных параметров и характеристик в области электротехники.

Прямые измерения – основа более сложных измерений, поэтому целесообразно рассмотреть классификацию методов прямых измерений:

1. Метод непосредственной оценки, при котором величину определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора, например измерение давления пружинным манометром, массы – на весах.

2. Метод сравнения с мерой, где измеряемую величину
сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Например,
измерение массы на рычажных весах с уравновешиванием гирей;
измерение напряжения постоянного тока на компенсаторе сравнением
с ЭДС параллельного элемента.

3. Метод противопоставления, при котором измеряемая величина и
величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на
прибор сравнения. Например, определение массы на равноплечих весах с помещением измеряемой массы и уравновешивающих ее гирь на двух чашках весов.

4. Дифференциальный метод, характеризуемый измерением
разности между измеряемой величиной и известной величиной,
воспроизводимой мерой. Метод позволяет получить результат
высокой точности при использовании относительно грубых средств
измерения.

5.  Нулевой метод, который аналогичен дифференциальному, но в
нем разность между измеряемой величиной и мерой сводится к нулю.
При этом нулевой метод имеет то преимущество, что мера может
быть во много раз меньше измеряемой величины.

6.  Метод замещения, состоящий в том, что измеряемую величину
замещают известной величиной, воспроизводимой мерой. Например,
взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь
на одну и ту же чашку весов.

7.  Метод совпадений, заключающийся в том, что разность между
сравниваемыми величинами измеряют, используя совпадение отметок
шкал или периодических сигналов. К примеру, при измерении длины
штангенциркулем наблюдают совпадение отметок на шкалах
штангенциркуля и нониуса; при измерении частоты вращения
стробоскопом наблюдают совпадение метки на вращающемся объекте
с момента вспышек известной частоты.

По характеру изменения измеряемой величины в процессе измерений бывают динамические и статические измерения.

Статистические измерения связаны с определением харак­теристик случайных процессов, звуковых сигналов, уровня шумов и т. д. Статические измерения имеют место тогда, когда измеряемая величина практически постоянна. Динамические измерения связаны с величинами, которые в процессе измерений претерпевают те или иные изменения. Статические и динамические измерения в идеальном виде на практике редки.

По количеству измерительной информации различают однократные и многократные измерения.

Однократные измерения – это одно измерение одной величины, то есть число измерений равно числу измеряемых величин. Практическое применение такого вида измерений всегда сопряжено с большими погрешностями, поэтому следует проводить не менее трех однократных измерений и находить конечный результат как среднее арифметическое значение.

Многократные измерения характеризуются превышением числа измерений над количеством измеряемых величин.

По способу определения значения измеряемой величины различают абсолютные и относительные измерения.

При абсолютном методе значение измеряемой величины определяется непосредственно по шкале прибора. При относительном – значение измеряемой величины получается как алгебраическая сумма показаний по шкале прибора и размера установочной меры, отклонение от которого показывает прибор.