Метрология

Псковский государственный университет

Кафедра: ПГС

Реферат

по дисциплине «Метрология, стандартизация сертификация»

Факультет: ИС

Группа: 0044-04

Студент: Осокин К.Э.

Преподаватель Степанов В.Б.

Псков 2012

Основные свойства определяющие качество измерений

Точность измерения. Основное понятие. Критерии выбора точности измерений. Классы точности средств измерений. Примеры средств измерений разных классов точности.

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

Вообще метрология – это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Усовершенствование точности измерений стимулировало развитие наук, предоставляя более достоверные и чувствительные средства исследований.

От точности средств измерения зависит эффективность выполнения различных функций: погрешности счетчиков энергии приводят к неопределенности в учете электроэнергии; погрешности весов ведут к обману покупателей или к большим объемам неучтенного товара.

Повышение точности измерений позволяет определить недостатки технологических процессов и устранить эти недостатки, что приводит к повышению качества продукции, экономии энергетических и тепловых ресурсов, сырья, материалов.

Измерения могут быть классифицированы по характеристике точности на:

- Равноточные – ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности средствами измерений и в одних и тех же условиях;

- Неравноточные - ряд измерений какой-либо величины, выполненных несколькими различными по точности СИ и (или) в нескольких разных условиях.

К разным видам средств измерения предъявляют специфические требования: например, лабораторные средства должны обладать повышенной точностью и чувствительностью. Высокоточными СИ являются, например, эталоны.

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. Эталоны являются высокоточными средствами измерений и поэтому используются для проведения метрологических измерений в качестве средств передачи информации о размере единицы. Размер единицы передается «сверху вниз» от более точных средств измерений к менее точным «по цепочке»: первичный эталон, вторичный эталон, рабочий эталон 0-го разряда, рабочий эталон 1-го разряда, рабочее средство измерений.

Метрологические свойства средств измерений – это свойства, влияющие на результат измерений и его погрешность. Показатели метрологических свойств являются их количественной характеристикой и называются метрологическими характеристиками. Все метрологические свойства средств измерений можно разделить на две группы:

· Свойства, определяющие область применения СИ

· Свойства, определяющие качество измерения. К таким свойствам относятся точность, сходимость и воспроизводимость.

Наиболее широко в метрологической практике используется свойство точности измерений, которое определяется погрешностью.

Погрешность измерения – разность между результатом измерения и истинным значением измеряемой величины.

Точность измерений СИ – качество измерений, отражающее близость их результатов к действительному (истинному) значению измеряемой величины. Точность определяется показателями абсолютной и относительной погрешности.

Абсолютная погрешность определяется по формуле: Хп= Хп - Х0,

где: Хп – погрешность поверяемого СИ; Хп – значение той же самой величины, найденное с помощью поверяемого СИ; Х0 - значение СИ, принятое за базу для сравнения, т.е. действительное значение.

Однако в большей степени точность средств измерений характеризует относительная погрешность, т.е. выраженное в процентах отношение абсолютной погрешности к действительному значению величины, измеряемой или воспроизводимой данным СИ.

В стандартах нормируют характеристики точности, связанные и с другими погрешностями:

Систематическая погрешность – составляющая погрешности результата измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющейся при повторных измерениях одной и той же величины. Такая погрешность может проявиться, если смещен центр тяжести СИ или СИ установлен не на горизонтальной поверхности.

Случайная погрешность – составляющая погрешности результата измерения, изменяющаяся случайным образом в серии повторных измерений одного и того же размера величины с одинаковой тщательностью. Такие погрешности не закономерны, но неизбежны и присутствуют в результатах измерения.

Погрешность измерений не должна превышать установленных пределов, которые указаны в технической документации к прибору или в стандартах на методы контроля (испытаний, измерений, анализа).

Чтобы исключить значительные погрешности, проводят регулярную поверку средств измерений, которая включает в себя совокупность операций, выполняемых органами государственной метрологической службы или другими уполномоченными органами с целью определения и подтверждения соответствия средства измерений установленным техническим требованиям.

В повседневной производственной практике широко пользуются обобщенной характеристикой – классом точности.

Класс точности средств измерений – обобщенная характеристика, выражаемая пределами допускаемых погрешностей, а также другими характеристиками, влияющими на точность. Классы точности конкретного типа СИ устанавливают в нормативных документах. При этом для каждого класса точности устанавливают конкретные требования к метрологическим характеристикам, в совокупности отражающим уровень точности СИ данного класса. Класс точности позволяет судить о том, в каких пределах находится погрешность измерений этого класса. Это важно знать при выборе СИ в зависимости от заданной точности измерений.

Обозначение классов точности осуществляются следующим образом:

Если пределы допускаемой основной погрешности выражены в форме абсолютной погрешности СИ, то класс точности обозначается прописными буквами римского алфавита. Классам точности, которым соответствуют меньшие пределы допускаемых погрешностей, присваиваются буквы, находящиеся ближе к началу алфавита.

 Для СИ, пределы допускаемой основной погрешности которых принято выражать в форме относительной погрешности, обозначаются числами, которые равны этим пределам, выраженным в процентах.

Обозначения класса точности наносят на циферблаты, щитки и корпуса СИ, приводят в нормативных документах. Средствам измерений с несколькими диапазонами измерений одной и той же физической величины или предназначенным для измерений разных физических величин могут быть присвоены различные классы точности для каждого диапазона или для каждой измеряемой величины.

Классы точности присваиваются при разработке СИ по результатам приемочных испытаний. В связи с тем, что при эксплуатации их метрологические характеристики обычно ухудшаются, допускается понижать класс точности по результатам поверки.

При подготовке и проведении высокоточных измерений в метрологической практике учитывают влияние объекта измерения, субъекта, метода измерения, средства измерения, условий измерения. Так, объект должен быть всесторонне изучен; элемент субъективизма в результатах измерения должен быть сведен к минимуму; учитывают факторы и условия, которые могут искажать результаты измерений. Поэтому необходимо соблюдать методику выполнения измерений, чтобы получить результаты с минимальной погрешностью. Такие методики изложены в законе РФ «Об обеспечении единства измерений. А в 1997 году начал действовать ГОСТ 8.563-96 «ГСИ. Методики выполнения измерений».

Виды измерений и их характеристика

В настоящее время существует множество видов измерений, различаемых физическим характером измеряемой величины и факторами, определяющими разнообразные условия и режимы измерений. Основными видами измерений физических величин, в том числе и линейно-угловых (ГОСТ 16263-70), являются прямые, косвенные, совокупные, совместные, абсолютные и относительные.

Наиболее широко используются прямые измерения, состоящие в том, что искомое значение измеряемой величины находят из опытных данных с помощью средств измерения. Линейный размер можно установить непосредственно по шкалам линейки, рулетки, штангенциркуля, микрометра, действующую силу - динамометром, температуру - термометром и т.д.

Косвенные измерения применяют в тех случаях, когда искомую величину невозможно или очень сложно измерить непосредственно, т. е. прямым видом измерения, или когда прямой вид измерения дает менее точный результат.

Примерами косвенного вида измерения являются установление объема параллелепипеда перемножением трех линейных величин (длины, высоты и ширины), определенных с использованием прямого вида измерений, расчет мощности двигателя, определение удельного электрического сопротивления проводника по его сопротивлению, длине и площади поперечного сечения и т.д.

Совокупные измерения осуществляют одновременным измерением нескольких одноименных величин, при которых искомое значение находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин. Примером совокупных измерений является калибровка гирь набора по известной массе одной из них и по результатам прямых сравнений масс различных сочетаний гирь.

Буквы а, Ь, с, d - неизвестные значения грузиков, которые приходится прибавлять или отнимать от массы гири. Решив систему уравнений, можно определить значение каждой гири.

Совместные измерения - одновременные измерения двух или нескольких неодноименных величин для нахождения зависимости между ними, например измерения объема тела, производимые с измерениями различных температур, обусловливающих изменение объема этого тела.

К числу основных видов измерений, по признаку характера результатов измерения для разнообразных физических величин, относятся абсолютные и относительные измерения.

Абсолютные измерения основаны на прямых измерениях одной или нескольких физических величин. Примером абсолютного измерения может служить измерение диаметра или длины валика штангенциркулем или микрометром, а также измерение температуры термометром.

Абсолютные измерения сопровождаются оценкой всей измеряемой величины.

Относительные измерения основаны на измерении отношения измеряемой величины, играющей роль единицы, или измерений величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную. В качестве образцов часто используют образцовые меры в виде плоскопараллельных концевых мер длины.

Примером относительных измерений могут служить измерения калибров пробок и скоб на горизонтальном и вертикальном оптиметрах с настройкой измерительных приборов по образцовым мерам. При использовании образцовых мер или образцовых деталей относительные измерения позволяют повысить точность результатов измерений по сравнению с абсолютными измерениями.

Помимо рассмотренных видов измерения по основному признаку - способу получения результата измерения - следует указать на термины контроль, испытание и диагностирование как на Физические процессы, в основе которых находятся виды измерений, определяющие наиболее характерные принципы соответствия эксплуатационным свойствам измеряемой величины.

Для проведения измерений с целью контроля, диагностирования или испытания изделий необходимо выполнить мероприятия, пределяющие технологический процесс измерений: анализ задачи на измерение, выявление погрешностей, установление числа измерений, выбор средства измерения, метода измерения и др.

В качестве измерительных технологий можно привести разработку микрометражных карт для основных деталей автомобильных двигателей при их испытаниях на безопасность.

Виды измерений классифицируют также по точности результатов измерения - на равноточные и неравноточные, по числу измерений - на многократные и однократные, по отношению к изменению измеряемой величины во времени - на статические и динамические, по наличию контакта измерительной поверхности средства измерения с поверхностью изделия - на контактные и бесконтактные и др.

В зависимости от метрологического назначения измерения делят на технические - производственные измерения, контрольно-поверочные и метрологические - измерения с предельно возможной точностью с использованием эталонов с целью воспроизведения единиц физических величин для передачи их размера рабочим средствам измерения.

Погрешность измерений. Классификация

Абсолютная погрешность измерения — погрешность, выраженная в единицах измеряемой величины. Так, погрешность ?X в формуле (2.1) является абсолютной погрешностью. Недостатком такого способа выражения этих величин является то, что их нельзя использовать для сравнительной оценки точности разных измерительных технологий. Действительно  = 0,05 мм при Х = 100 мм соответствует достаточно высокой точности измерений, а при Х=1 мм — низкой. Этого недостатка лишено понятие «относительная погрешность», определяемое выражением

(2.3)

Таким образом, относительная погрешность измерения— отношение абсолютной погрешности измерения к истинному значению измеряемой величины или результату измерений.

Для характеристики точности СИ часто применяют понятие «приведенная погрешность», определяемое формулой

(2.4)

где  Хн — значение измеряемой величины, условно принятое за нормирующее значение диапазона СИ. Чаще всего в качестве Хн - принимают разность между верхним и нижним пределами этого диапазона.

Инструментальная погрешность измерения — составляющая погрешности измерения, обусловленная несовершенством применяемого СИ: отличием реальной функции преобразования прибора от его калибровочной зависимости, неустранимыми шумами в измерительной цепи, запаздыванием измерительного сигнала при его прохождении в СИ, внутренним сопротивлением СИ и др. Инструментальная погрешность измерений разделяется на основную (погрешность измерений при применении СИ в нормальных условиях) и дополнительную (составляющая погрешности измерений, возникающая вследствие отклонения какой-либо из влияющих величин от ее номинального значения или ее выхода за пределы нормальной области значений). Метод их оценивания будет рассмотрен ниже.

Методическая погрешность измерений — составляющая погрещности измерений, обусловленная несовершенством метода измерений. К ней относят погрешности, обусловленные отличием принятой модели объекта измерения от реального объекта, несовершенством способа воплощения принципа измерений, неточностью формул, применяемых при нахождении результата измерений, и другими факторами, не связанными со свойствами СИ. Примерами методических погрешностей измерений являются:

•  погрешности изготовления цилиндрического тела (отличие от идеального круга) при измерении его диаметра;

•  несовершенство определения диаметра круглого тела как среднего из значений диаметра в двух его заранее выбранных перпендикулярных плоскостях;

•  погрешность измерений вследствие кусочно-линейной аппроксимации нелинейной калибровочной зависимости СИ при вычислении результата измерений;

•  погрешность статического косвенного метода измерений массы нефтепродукта в резервуаре вследствие неравномерности плотности нефтепродукта по высоте резервуара.

Субъективная (личная) погрешность измерения — составляющим погрешности измерения, обусловленная индивидуальными особенностями оператора, т. е. погрешность отсчета оператором показаний по шкалам СИ. Они вызываются состоянием оператора, несовершенством органов чувств, эргономическими свойствами СИ. Характеристики субъективной погрешности измерений определяют с учетом способности «среднего оператора» к интерполяции в пределах цены деления шкалы измерительного прибора. Наиболее известная и простая оценка этой погрешности — ее максимальное возможное значение в виде половины цены деления шкалы

.

Грубой погрешностью измерений (промахом) называют погрешность измерения, существенно превышающую ожидаему при данных условиях погрешность. Они возникают, как правило из-за ошибок или неправильных действий оператора (неверный отсчет, ошибка в записях или вычислениях, неправильное включение СИ и др.). Возможной причиной промаха могут быть сбои работе технических средств, а также кратковременные резкие из менения условий измерений. Естественно, что грубые погрешности должны быть обнаружены и исключены из ряда измерений.

Более содержательно деление на систематические и случайные погрешности.

Систематическая погрешность измерения — составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или же закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же величины. Систематические погрешности подлежат исключению насколько возможно, тем или иным способом. Наиболее известный из них — введение поправок на известные систематически погрешности. Однако полностью исключить систематическую погрешность практически невозможно, и какая-то ее небольшая часть остается и в исправленном (введением поправок) результате измерений. Эти остатки называются неисключенной систематической погрешностью (НСП). НСП — погрешность измерений, обусловленная погрешностями вычисления и введения поправок или же систематической погрешностью, на действие которой по правка не введена.

Например, с целью исключения систематической погрешности, измерения, обусловленной нестабильностью функции npeoбpaзования аналитического прибора, периодически проводят его калибровку по эталонным мерам (поверочным газовым смесям или стандартным образцам). Однако, несмотря на это, в момент измерения  все  равно  будет  некоторое   отклонение  действительной функции преобразования прибора от калибровочной зависимости, обусловленное погрешностью калибровки и дрейфом функции преобразования прибора за время, прошедшее после калибровки. Погрешность измерения, обусловленная этим отклонением, является НСП.

Случайной погрешностью измерения называется составляющая погрешности измерения, изменяющаяся случайным образом (по знаку и значению) при повторных измерениях одной и той же шпчины. Причины случайных погрешностей многообразны: шумы измерительного прибора, вариация его показаний, случайные колебания параметров электрической сети и условий измерений, погрешности округления отсчетов и многие другие. В появлении таких погрешностей не наблюдается какой-либо закономерности, они проявляются при повторных измерениях одной и той же величины в виде разброса результатов измерений. Поэтому оценивание случайных погрешностей измерений возможно только на основе математической статистики (эта математическая дисциплина родилась как наука о методах обработки рядов измерений, отягощенных случайными погрешностями).

В отличие от систематических, случайные погрешности нельзя исключить из результатов измерений путем введения поправок, однако их влияние можно существенно уменьшить проведением многократных измерений.

Средства измерения расходов

Рассматривая приборы, служащие для измерения расхода и количества веществ, представляется возможным классифицировать их по различным признакам. Здесь следует считать целесообразным наметить такую классификацию, которая отражала бы основные принципы работы приборов,.положенные в основу измерения и отражающие физику протекающих при этом явлений. С этой точки зрения принята классификация по принципу действия.Прежде всего следует различать приборы для измерения расхода и приборы для измерения количества, или расходомеры и счетчики.

Расходомерами называются такие приборы, которые измеряют расход вещества, т. е. количество вещества, протекающего по трубопроводу в единицу времени.

По способам измерения расходомеры можно разделить на:

1. расходомеры переменного перепада давления — приборы, принцип действия которых основан на измерении перепада давления на установленном внутри трубопровода сужающем устройстве; этот перепад давления служит мерой расхода протекающего по трубопроводу вещества;

2. расходомеры обтекания — приборы, принцип действия которых основан на восприятии динамического напора протекающего но трубопроводу вещества чувствительным элементом прибора (поплавком, поршнем, гидродинамической трубкой и т. п.|), помещенным в поток; в результате этот чувствительный элемент перемещается, и величина перемещения служит мерой расхода;

3. расходомеры с непрерывным движением приемных устройств — приборы, чувствительный элемент которых под действием динамических усилий потока совершает вращательное или колебательное движения; скорость движения чувствительного элемента служит мерой расхода;

4. электрические расходомеры — приборы, принцип действия которых основан на измерении изменяющихся в зависимости от расхода электрических параметров системы: измеряемое вещество —чувствительный элемент прибора, величина какого-либо выбранного для измерения электрического параметра служит мерой расход;

5. тепловые расходомеры—приборы, принцип действия которых основан на измерении, служащего мерой расхода количеств: тепла, отданного каким-либо нагретым элементом потоку вещества;

6. ультразвуковые расходомеры — приборы, принцип действия которых основан на измерении параметров ультразвуковых колебаний, распространяющихся в потоке измеряемого вещества.