Волковой М.С. Метрология
.pdfФедеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский государственный технический университет»
М.С. Волковой, Е.Е. Суханов, Ю.Н. Хижняков, А.А. Южаков
МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ
Под общей редакцией профессора А.А. Южакова
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Издательство Пермского государственного технического университета
2008
2
УДК 006
ББК 30.10.65.2/4.ц М54
Р е ц е н з е н т ы:
президент Пермского регионального общественного отделения «Западно-Уральская академия информациологии»
общественной организации «Международная академия информатизации» канд. техн. наук., проф. В.В. Белоусов;
генеральный директор ООО «Форт-Телеком» канд. техн. наук С.Л. Макаренко
Метрология, стандартизация и сертификация: учеб. пособие / М54 М.С. Волковой, Е.Е. Суханов, Ю.Н. Хижняков, А.А. Южаков; под общ. ред. проф. А.А. Южакова. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та,
2008. – 342 с.
Содержание соответствует программе дисциплины «Метрология, стандартизация и сертификация». Подробно освещены базовые положения теории измерений и погрешностей, рассмотрены методы и средства измерений электрических и неэлектрических величин, показана обработка результатов измерений, применение микропроцессоров в измерительной технике, приведена структура построения информационно-измерительных систем, рассмотрены вопросы стандартизации и сертификации.
Ориентировано на студентов инженерно-технических специальностей втузов, а также на аспирантов, специализирующихся в области информационноизмерительной техники и технологии, и на разработчиков измерительной техники.
УДК 006
ББК 30.10.65.2/4.ц
©ГОУ ВПО «Пермский государственный
технический университет», 2008
3 |
|
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
ВВЕДЕНИЕ ...................................................................................................... |
7 |
1. ТЕОРИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ............................................................................... |
9 |
1.1. Основные понятия и определения........................................................ |
9 |
1.1.1. Единицы измерений..................................................................... |
9 |
1.1.2. Метрологическое обеспечение.................................................. |
12 |
1.1.3. Виды и методы измерений ........................................................ |
18 |
1.1.4. Средства измерений. Метрологические и эксплуатационные |
|
характеристики .................................................................................... |
22 |
1.1.5. Погрешности измерений. Классы точности измерений........... |
25 |
1.2. Анализ методов измерений................................................................. |
32 |
1.2.1. Прямые однократные измерения............................................... |
32 |
1.2.2. Прямые измерения с многократными наблюдениями............. |
34 |
1.2.3. Косвенные измерения................................................................ |
43 |
1.2.4. Совокупные измерения.............................................................. |
48 |
1.2.5. Совместные измерения.............................................................. |
49 |
1.3. Методы повышения точности измерений.......................................... |
56 |
1.3.1. Оценка динамической погрешности......................................... |
57 |
1.3.2. Подготовка измерительного эксперимента для определения |
|
динамических свойств объекта с учетом инерционности датчика ... |
61 |
1.4. Методы уменьшения коррелированных и некоррелированных
составляющих погрешностей измерений ................................................ |
66 |
1.4.1. Итерационный метод ................................................................. |
66 |
1.4.2. Метод образцовых мер .............................................................. |
67 |
1.4.3. Тестовый метод.......................................................................... |
68 |
1.5. Регулировка средств измерений......................................................... |
73 |
1.6. Калибровка средств измерений.......................................................... |
75 |
2. ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН........................................ |
77 |
2.1. Измерение электрического тока и напряжения................................. |
77 |
2.2. Параметры тока и напряжения ........................................................... |
78 |
2.3. Электромеханические измерительные приборы ............................... |
80 |
2.3.1. Общие сведения ......................................................................... |
80 |
2.3.2. Магнитоэлектрические приборы............................................... |
82 |
2.3.3. Электромагнитные приборы...................................................... |
86 |
2.3.4. Электродинамические приборы................................................ |
88 |
2.3.5. Электростатические приборы.................................................... |
91 |
2.3.6. Индукционные приборы............................................................ |
92 |
2.3.7. Логометры .................................................................................. |
93 |
2.3.8. Термоэлектрические измерительные приборы ........................ |
95 |
2.3.9. Выпрямительные измерительные приборы.............................. |
95 |
2.4. Электронные вольтметры ................................................................... |
98 |
2.4.1. Аналоговые электронные вольтметры...................................... |
98 |
|
4 |
|
|
|
2.4.2. Цифровые электронные вольтметры....................................... |
|
|
102 |
|
2.4.2.1. Времяимпульсный цифровой вольтметр................... |
|
104 |
||
2.4.2.2. |
Частотно - импульсный |
цифровой |
вольтметр |
|
с интегрированием................................................................... |
|
|
105 |
|
2.4.2.3. Цифровой вольтметр с двойным интегрированием.. |
106 |
|||
2.4.2.4. Цифровойвольтметрпоразрядного уравновешивания... |
108 |
|||
2.5. Исследование формы и параметров сигналов ................................. |
|
110 |
||
2.5.1. Электронно-лучевой осциллограф.......................................... |
|
|
110 |
|
2.5.2. Запоминающие осциллографы................................................ |
|
|
114 |
|
2.5.3. Цифровые осциллографы ........................................................ |
|
|
114 |
|
2.6. Измерение частоты и интервалов времени...................................... |
|
|
115 |
|
2.6.1. Общие сведения ....................................................................... |
|
|
115 |
|
2.6.2. Измерение частоты и интервала времени при помощи |
||||
осциллографа |
..................................................................................... |
|
|
116 |
2.6.3. Резонансный метод измерения частоты.................................. |
|
118 |
||
2.6.4. Измерение частоты методом заряда и разряда конденсатора.... |
118 |
|||
2.6.5. Цифровой метод измерения частоты ..................................... |
|
|
120 |
|
2.6.6. Цифровой ..................метод измерения интервалов времени |
|
121 |
||
2.7. Измерение фазового ..............................................................сдвига |
|
|
122 |
|
2.7.1. Общие сведения ....................................................................... |
|
|
122 |
|
2.7.2. Измерение .......фазового сдвига при помощи осциллографа |
123 |
|||
2.7.3. Аналоговый ..............................................................фазометр |
|
|
126 |
|
2.7.4. Цифровой .................................................................фазометр |
|
|
128 |
|
2.8. Измерение электрической ...............................................мощности |
|
|
129 |
|
2.8.1. Общие сведения ....................................................................... |
|
|
129 |
|
2.8.2. Ваттметр с использованием аналогового перемножителя |
||||
сигналов.............................................................................................. |
|
|
|
130 |
2.8.3. Измерение ...................................мощности СВЧ-колебаний |
|
|
130 |
|
2.9. Анализ спектра ......сигналов. Измерение нелинейных искажений |
131 |
|||
2.9.1. Общие сведения ....................................................................... |
|
|
131 |
|
2.9.2. Параллельный .................................................анализ спектра |
|
|
132 |
|
2.9.3. Последовательный ..........................................анализ спектра |
|
|
132 |
|
2.9.4. Цифровой ........................................................анализ спектра |
|
|
134 |
|
2.9.5. Измерение ........................................нелинейных искажений |
|
|
134 |
|
2.10. Измерение параметров ................................электрических цепей |
|
136 |
||
2.10.1. Прямое ..и косвенное измерение активных сопротивлений |
136 |
|||
2.10.2. Мосты .......................................................постоянного тока |
|
|
139 |
|
2.10.3. Мосты .......................................................переменного тока |
|
|
141 |
|
2.10.3.1. ...................................Мост для измерения емкости |
|
|
142 |
|
2.10.3.2. ........................Мост для измерения индуктивности |
|
143 |
||
2.10.4. Резонансный ................................................................метод |
|
|
143 |
|
2.11. Измерения в ............................телекоммуникационных системах |
|
144 |
||
2.11.1. Логарифмические .................................единицы измерений |
|
144 |
||
5 |
|
2.11.2. Измерение затуханий............................................................. |
146 |
2.11.3. Определение расстояния до места повреждения на линиях |
|
связи.................................................................................................... |
148 |
2.11.4. Измерения в волоконно-оптических линиях связи.............. |
151 |
2.12. Автоматизация измерений.............................................................. |
153 |
2.12.1. Общие сведения ..................................................................... |
153 |
2.12.2. Измерительно-вычислительные комплексы......................... |
153 |
2.12.3. Микропроцессорные средства измерений............................ |
155 |
2.12.4. Компьютерно-измерительные системы................................ |
156 |
2.12.5. Виртуальные приборы ........................................................... |
157 |
3. ИЗМЕРЕНИЕ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН................................. |
158 |
3.1. Датчики линейных и угловых перемещений и силы....................... |
158 |
3.1.1. Реостатные датчики ................................................................. |
158 |
3.1.2. Тензодатчики............................................................................ |
161 |
3.1.3. Электромагнитные преобразователи ...................................... |
168 |
3.1.3.1. Индуктивные преобразователи .................................. |
168 |
3.1.3.2. Трансформаторные преобразователи......................... |
171 |
3.1.3.3. Вихретоковые преобразователи................................. |
174 |
3.1.3.5. Индукционные преобразователи................................ |
177 |
3.1.3.6. Магнитомодуляционные преобразователи................ |
178 |
3.1.4. Емкостные преобразователи.................................................... |
181 |
3.1.5. Пьезоэлектрические преобразователи .................................... |
186 |
3.1.6. Пьезорезонансные преобразователи....................................... |
188 |
3.2. Измерение линейных и угловых скоростей, ускорений |
и |
параметров вибрации............................................................................... |
191 |
3.2.1. Измерение линейных скоростей.............................................. |
191 |
3.2.2. Измерение угловой скорости (частоты вращения)................. |
193 |
3.2.3. Измерение постоянных ускорений.......................................... |
200 |
3.2.4. Измерение параметров вибрации............................................ |
204 |
3.3. Методы измерения температуры...................................................... |
210 |
3.3.1. Термоэлектрические преобразователи. Принцип действия... |
212 |
3.3.2. Терморезисторы ....................................................................... |
218 |
3.3.3. Промышленные датчики температуры................................... |
221 |
3.3.4. Промышленные термопреобразователи ................................. |
225 |
3.3.5. Измерительные цепи термопар с ненормированным выходным |
|
сигналом............................................................................................. |
228 |
3.3.6. Измерительные цепи с терморезистором и ненормированным |
|
выходным сигналом........................................................................... |
231 |
3.3.7. Пирометры................................................................................ |
236 |
3.4. Методы измерения давления жидких и газообразных веществ ..... |
239 |
3.4.1. Виды измеряемых давлений, единицы измерения................. |
239 |
3.4.2. Методы преобразования давления.......................................... |
241 |
6
3.4.3. Мембранные датчики давления с электрическим выходным
сигналом.............................................................................................. |
245 |
3.5. Измерение расхода жидкостей и газов............................................. |
250 |
3.5.1. Ультразвуковые расходомеры................................................. |
252 |
3.5.2. Вихревые расходомеры ........................................................... |
253 |
3.5.3. Датчик расхода воды корреляционный ДРК-3....................... |
254 |
3.5.4. Электромагнитные расходомеры ............................................ |
256 |
3.5.5. Расходомеры по перепаду давления ....................................... |
259 |
3.5.6. Кориолисовые расходомеры.................................................... |
262 |
3.6. Измерение уровня жидких и сыпучих веществ............................... |
265 |
3.6.1. Гидростатический метод.......................................................... |
265 |
3.6.2. Ультразвуковые датчики уровня............................................. |
267 |
3.6.3. Акустические уровнемеры ...................................................... |
268 |
3.6.4. Радарные уровнемеры.............................................................. |
269 |
3.7. Качественный и количественный анализ вещества......................... |
270 |
3.7.1. Электрохимические преобразователи..................................... |
270 |
3.7.2. Электролиз, поляризация и потенциалы выделения.............. |
274 |
3.7.3. Электрические резистивные преобразователи ....................... |
276 |
3.7.4. Гальванические измерительные преобразователи ................. |
278 |
3.7.5. рН-Метры. Электроды гальванических преобразователей.... |
280 |
3.7.6. Полярографические преобразователи..................................... |
283 |
3.7.7. Методы измерений концентрации веществ............................ |
287 |
3.7.8. Комбинированные методы ...................................................... |
307 |
3.7.8.1. Масс-спектрометрический метод............................... |
307 |
3.7.8.2. Хроматографический метод....................................... |
308 |
4. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ....................... |
310 |
4.1. Измерение напряженности электромагнитного поля...................... |
310 |
4.2. Оптические измерения...................................................................... |
312 |
4.3. Акустические измерения .................................................................. |
314 |
5. СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ.......................................... |
321 |
5.1 Структура и форма стандартизации.................................................. |
321 |
5.2. Принципы, категории и виды стандартизации................................ |
323 |
5.3. Государственные и отраслевые системы стандартов...................... |
328 |
5.4. Международная стандартизация ...................................................... |
331 |
5.5. Сертификация.................................................................................... |
334 |
5.5.1. Оценка качества выпускаемой продукции ............................. |
334 |
5.5.2. Свидетельства качества и сертификационные органы .......... |
337 |
Список литературы ...................................................................................... |
340 |
7
ВВЕДЕНИЕ
С развитием науки, микропроцессорной техники и разработкой новых технологий измерения охватывают все новые физические величины (ФВ), существенно расширяются диапазоны измерений, непрерывно повышаются требования к точности измерений. На сложных объектах при измерении большого числа ФВ в течение малого интервала времени, при измерении быстроменяющихся параметров, используются информационные измерительные системы на базе компьютеров. В этих условиях, чтобы успешно справиться с многочисленными и разнообразными требованиями измерений, необходимо освоить некоторые общие принципы их решения, нужен единый научный и законодательный фундамент, обеспечивающий на практике высокое качество измерений, независимо от того, где и с какой целью они производятся. Таким фундаментом является метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.
В настоящее время развивается теория измерений, взаимосвязанные ветви метрологии: математическая и прикладная, а также стандартизация и сертификация.
Теория измерений, являясь базой измерительной техники, занимается изучением проблем измерения в целом и образующих его элементов: средств измерения ФВ и их единиц, методов и методик измерений результатов и погрешностей измерений.
Математическая метрология (ММ) – связь математики и метрологии. Объектом ММ являются метрические величины. ММ объединяет в себе теоретико-множественный подход, предполагающий наличие истинного значения величины и возможность его представления, с конструктивным, исходящим из невозможности определения истинного значения величины с помощью измерительного эксперимента и неизбежности наличия погрешности результата измерения [19].
Прикладная метрология связана с изучением вопросов практического применения разработок теоретической метрологии и положений законодательной метрологии. В ее ведении находятся все вопросы метрологического обеспечения средств измерений.
Стандартизация и сертификация разрабатывает и внедряет нормы и правила выполнения измерений, устанавливает требования, направленные на достижение единства измерений, порядок разработки и испытаний средств измерений, устанавливает термины и определения в области метрологии, единицы ФВ и правила их применения.
Материал пособия включает в себя все взаимосвязанные ветви, обеспечивающие в совокупности необходимый уровень подготовки специалистов электрических специальностей по метрологии, стандартизации и сертификации.
8
Вчасти 1 пособия излагаются основы теории измерений, усвоение которой позволит студенту осознанно подойти к изучению методов и видов измерений, анализу результатов измерений и оценки их погрешностей.
Вчасти 2 рассмотрены вопросы измерения электрических величин.
Втретьей – вопросы преобразования неэлектрических ФВ в стандартный выходной сигнал.
Вчетвертой – вопросы измерения параметров физических полей.
Впятой – приведены основные сведения по стандартизации и сертификации.
Учебное пособие подготовлено коллективом авторов: части 1,5 – доцентом Ю.Н. Хижняковым, части 2,4 – доцентом М.С. Волковым, часть 3 – доцентами Е.Е. Сухановым, Ю.Н. Хижняковым.
Общая редакция пособия осуществлена профессором А.А. Южако-
вым.
9
1.ТЕОРИЯ ИЗМЕРЕНИЙ
1.1.Основные понятия и определения
Греческое слово: metron – мера, logos – учение; учение мер – метрология.
Измерение – нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. С точки зрения информационной теории измерение представляет собой процесс, направленный на уменьшение энтропии измеряемого объекта. Энтропия есть мера неопределенности наших знаний об объекте измерения. В процессе измерения энтропия объекта уменьшается.
Объект измерения – реальный физический объект, свойства которого характеризуются одной или несколькими измеряемыми ФВ.
Алгоритм измерения – точное предписание о порядке выполнения операций, обеспечивающих измерение физической величины.
Принцип измерений – совокупность физических явлений, на которых основаны измерения.
Метод измерений – совокупность приемов использования принципов и средств измерений. Это общее определение на практике часто конкретизируют, относя его только к применяемым средствам измерения.
Методика выполнения измерений – общий или поэтапный план про-
ведения измерения – намеченный распорядок измерений, определяющий состав применяемых приборов, последовательность и правила проведения операций.
Физическая величина (ФВ) – это свойство, общее в качественном отношении многим физическим объектам, но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта.
1.1.1. Единицы измерений
Основные единицы физических величин – это единицы, выбранные произвольно, независимо от других единиц.
Основные единицы в системе СИ (System International, 1960 г.):
1.Метр – мера длины, м.
2.Килограмм – мера силы, массы, кг.
3.Секунда – мера времени, с.
4.Кельвин – термодинамическая температура, К.
5.Ампер – мера силы тока, А.
6.Кандела – мера света, кд.
7.Моль – мера количества вещества, моль.
10
Метр равен расстоянию, проходимому светом в вакууме за
1/299 792 458 долю секунды (1983).
Килограмм – масса международного прототипа килограмма, представляющего цилиндр из сплава платины и иридия (1889).
Секунда равна 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего энергетическому переходу между двумя уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133 (1967).
Кельвин равен 1/273,16 термодинамической температуры тройной точки воды, т.е. температуры, при которой три фазы воды – парообразная, жидкая и твердая – находятся в динамическом равновесии (1967).
Ампер – сила установившегося тока, который по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызывал бы силу взаимодействия, равную 2 10 7 Н на каждом участке проводника длиной 1 м (1946).
Кандела – сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540 1012 Гц (длина волны около 0,555 мкм), энергетическая сила источника излучения в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср (ср – стерадиан) (1979).
Моль – количество вещества, содержащего столько структурных элементов (атомов, молекул вещества, ионов, электронов и т.д.), сколько содержится в углероде-12 массой 0,012 кг (1971).
Дополнительные единицы в системе СИ:
1.Плоский угол (радиан), равный углу между двумя радиусами окружности, длина дуги между которыми равна радиусу. В градусном исчислении радиан равен 57°17'48".
2.Телесный угол (стерадиан), равный телесному углу с вершиной в центре сферы, вырезающему на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы. Измеряют телесные углы с помощью плоских углов и расчета:
2 1 cos( /2) ,
где – телесный угол; – плоский угол при вершине конуса, образованного внутри сферы данным телесным углом.
Телесному углу 1 ср соответствует плоский угол, равный 65°32', углу πср – плоский угол 120°, углу 2πср – плоский угол 180°.
Дополнительные единицы СИ использованы для образования единиц угловой скорости, углового ускорения и других величин. Сами по себе радиан и стерадиан применяются в основном для теоретических построений и расчетов, т.к. большинство важных для практики значений углов (пол-