МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ

переменном токе (частота переменного тока между двумя сверхпроводящими пластинами пропорциональна внешнему напряжению).

3.2.8 Свет и освещенность

Единицы силы света и освещенности нельзя определить на основе только механических единиц. Можно выразить поток энергии в световой волне в Вт/м2, а интенсивность световой волны – в В/м, как в случае радиоволн. Но восприятие освещенности есть психофизическое явление, в котором существенна не только интенсивность источника света, но и чувствительность человеческого глаза к спектральному распределению этой интенсивности.

Международным соглашением за единицу силы света принята кандела (ранее называвшаяся свечой), равная силе света в данном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частоты 540·1012 Гц (λ = 555 нм), энергетическая сила светового излучения которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср. Это примерно соответствует силе света спермацетовой свечи, которая когдато служила эталоном.

Если сила света источника равна одной канделе во всех направлениях, то полный световой поток равен 4 люменов. Таким образом, если этот источник находится в центре сферы радиусом 1 м, то освещенность внутренней поверхности сферы равна одному люмену на квадратный метр, т.е. одному люксу.

3.2.9 Рентгеновское и гамма-излучение, радиоактивность

Рентген (Р) – это устаревшая единица экспозиционной дозы рентгеновского, гамма- и фотонного излучений, равная количеству излучения, которое с учетом вторичноэлектронного излучения образует в 0,001 293 г воздуха ионы, несущие заряд, равный одной единице заряда СГС каждого знака. В системе СИ единицей поглощенной дозы излучения является Грэй, равный 1 Дж/кг. Эталоном поглощенной дозы излучения служит установка с ионизационными камерами, которые измеряют ионизацию, производимую излучением.

Кюри (Ки) – устаревшая единица активности нуклида в радиоактивном источнике. Кюри равен активности радиоактивного вещества (препарата), в котором за 1 с происходит 3,700·1010 актов распада. В системе СИ единицей активности изотопа является Беккерель, равный активности нуклида в радиоактивном источнике, в котором за время 1 с происходит один акт распада. Эталоны радиоактивности получают, измеряя периоды полураспада малых количеств радиоактивных материалов. Затем по таким эталонам градуируют и поверяют ионизационные камеры, счетчики Гейгера, сцинтилляционные счетчики и другие приборы для регистрации проникающих излучений.

3.3 Основные виды измерений и измеряемых величин

3.3.1 Понятие об измерении

Весь прогресс науки и техники неразрывно связан с возрастанием роли и совершенствованием искусства измерений. В свое время Д.И. Менделеев говорил, что «наука начинается с тех пор, как начинают измерять. Точная наука немыслима без меры».

61

Не меньшее значение имеют измерения в технике, производственной деятельности, при учете материальных ценностей, при обеспечении безопасных условий труда и здоровья человека, в сохранении окружающей среды. Современный научнотехнический прогресс невозможен без широкого использования средств измерений

ипроведения многочисленных измерений.

Внашей стране проводится десятки миллиардов измерений в день, свыше 4 млн. человек считают измерение своей профессией.

Всоответствии с ФЗ «Об обеспечении единства измерений» измерение – это совокупность операций, выполняемых для определения количественного значения величины. В соответствии с РМГ 29-99 измерение физической величины есть совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины.

Примеры: В простейшем случае, прикладывая линейку с делениями к какойлибо детали, по сути сравнивают ее размер с единицей, хранимой линейкой, и, произведя отсчет, получают значение величины (длины, высоты, толщины и других параметров детали). С помощью измерительного прибора сравнивают размер величины, преобразованной в перемещение указателя, с единицей, хранимой шкалой этого прибора, и проводят отсчет.

Существуют различные физические объекты, обладающие различными физическими свойствами, количество которых неограниченно. Среди них можно выделить ограниченное количество свойств общих качественным отношением для различных объектов, но индивидуальных для каждого из них в количественном отношении. Эти свойства называются физическими величинами. Их различие заключается в качественном и количественном отношении. Качественная сторона определяет вид физической величины (например, электрическое сопротивление), а количественная ее размер (например, сопротивление конкретного резистора). Количественное содержание свойства общее в количественном отношении для множества объектов и соответствует понятию физическая величина для конкретного объекта – размер физической величины. Размер физической величины существует объективно. В результате измерения получается значение физической величины.

В любом случае, измерение – нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Найденное значение называют результатом измерения. В определении измерения отражаются следующие главные признаки этого понятия:

–измерять можно свойства реально существующих объектов, т.е физические величины;

–измерение требует проведения опытов, т.е. теоретические рассуждения или расчеты не могут заменить эксперимент и не являются измерением;

–измерение производится с помощью специальных технических средств – средств измерения, приводимых во взаимодействие с материальным объектом;

–результатом измерения является количественное значение физической вели-

чины.

Принципиальная особенность измерения заключается в отражении физической величины числом. Значение физической величины должно быть не просто числом, а

62

числом именованным, то есть результат измерения должен быть выражен в определенных единицах, принятой для данной величины. Только в этом случае результирующее измерение, производимое с помощью различных средств измерений и разными экспериментаторами, могут быть сопоставимы.

Размер единицы физической величины может быть любым, однако измерения должны выполняться в общепринятых единицах, в частности в России принята система СИ.

Обобщая вышесказанное можно отметить, что для того, чтобы можно было провести измерение и достичь поставленную перед ним цель, необходимо сформулировать измерительную задачу, в которую должны войти следующие составляю-

щие элементы измерений:

объект измерения, т.е. измеряемая величина; единица измерения, с которой сравнивается эта величина;

средство измерений, выбор которого должен быть оптимальным для достижения требуемого результата измерений;

результат измерения, представляющий, как правило, именованное число, например, метр, грамм;

точность измерений, которая, как правило, задается при постановке измерительной задачи.

Процедура измерения состоит из следующих основных этапов:

–принятие модели объектов измерения;

–выбор метода измерения;

–выбор средств измерения;

–проведение эксперимента с целью получения численного значения измеряемой величины.

Различные недостатки, присущие этим этапам приводят к тому, что результат измерения неизбежно отличается от истинного значения измеряемой величины.

3.3.2 Виды измерений

Измерения как экспериментальные процессы весьма разнообразны. Это объясняется множеством экспериментальных величин, различным характером измерения величин, различными требованиями точности измерения и другие.

Объектом измерения служит тело (физическая система; процесс, явление и т.д.), которое характеризуется одной или несколькими измеряемыми физическими величинами.

Классифицировать измерения можно по различным принципам:

–по способу получения измерения;

–по характеру изменения измеряемой величины;

–по отношению к основным единицам измерения и т.д.

Классификация измерений по способу получения или по способу обработ-

ки данных. Наиболее распространена классификация видов измерений в зависимости от способа обработки экспериментальных данных. В соответствии с этой классификацией измерения делятся на: прямые, косвенные, совместные и совокупные.

Прямые измерение – это измерение, при котором искомое значение физической величины находится непосредственно из опытных данных в результате выпол-

63

нения измерений, т.е. когда физическая величина непосредственно связана с его мерой, например, измерение напряжения вольтметром.

Косвенное измерение – измерение, при котором искомое значение величины находится на основании известной зависимостью между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям.

Пример – сопротивление резистора находим на основании закона Ома подстановкой значений I и U получаемых в результате измерения.

Совместное измерение – одновременное измерение нескольких неодноименных величин, для нахождения зависимости между ними. При этом решается система уравнений.

Пример: определение зависимости сопротивления от температуры. При этом измеряются неодноименные величины, по результатам измерений определяется зависимость.

Совокупное измерение – одновременное измерение нескольких одноименных величин, при котором искомые значения величин находятся решением системы уравнений, состоящих из результирующих прямых измерений, различных сочетаний этих величин.

Пример: измерение сопротивления резисторов соединенных треугольником. При этом измеряется значение сопротивления между вершинами. По результатам определяются сопротивления резисторов.

Классификация измерений по характеру изменения измеряемой величи-

ны. По характеру изменения измеряемой величины или по характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения делятся на: статические и динамические. Статические измерения соответствуют случаю, когда измеряемая величина остается постоянной на протяжении времени измерения. Динамические – когда измеряемая величина изменяется в период изменения.

Классификация измерений по отношению к основным единицам измерения или по способу выражения результатов измерений. По способу выражения результатов измерений различают абсолютные и относительные измерения. Абсолютное измерение основано на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значений физических констант. Относительным называется измерение отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или изменения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.

Измерения также можно делить на равноточные и неравноточные, измерения, проводимые с одинаковыми или различающимися по точности средствами измерений.

В настоящее время все измерения в соответствии с физическими законами, используемыми при их проведении, сгруппированы в 13 видов измерений. Им в соответствии с классификацией были присвоены двухразрядные коды видов измерений: геометрические (27), механические (28), расхода, вместимости, уровня (29), давления и вакуума (30), физико-химические (31), температурные и теплофизические (32), времени и частоты (33), электрические и магнитные (34), радиоэлектронные (35), виброакустические (36), оптические (37), параметров ионизирующих излучений (38), биомедицинские (39).

64

3.3.3 Методы измерений

Взаимодействие средств измерений с объектом измерений основано на физических явлениях, совокупность которых составляет принцип измерений, а совокупность приемов использования принципа и средств измерений называется мето-

дом измерений.

По используемому методу измерения – совокупности приемов использования принципов и средств измерений различают:

Метод непосредственной оценки, в котором значение величины определяется непосредственно по отсчетному устройству измерительного преобразователя прямого действия;

Метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Этот метод имеет следующие модификации:

метод противопоставления – измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения, с помощью которого устанавливаются соотношения между этими величинами;

метод дифференциальный – на измерительный прибор воздействует разность измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой;

метод нулевой – результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля;

метод замещения – измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой;

метод совпадений – разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадения отметок шкал или периодических сигналов.

3.3.4 Качество измерений

Результат измерения – значение величины, полученное путем ее измерения. Погрешность измерений – отклонение результата измерения от истинного

значения измеряемой величины. Истинное значение физической величины идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующие свойства объекта, но оно остается неизвестным. Поэтому с помощью измерений находят такое действительное значение, настолько приближающееся к истинному, что для данной цели может быть использовано вместо него.

Точность измерения – качество измеряемой величины, отражающее близость к нулю систематической погрешностей результатов (т.е. таких погрешностей, которые остаются постоянными или закономерно изменяются при повторных измерениях одной и той же величины).

Правильность измерений зависит от того, насколько тщательно были устранены систематические погрешности и верно выбраны средства измерений, используемые при эксперименте.

Достоверность измерения – степень доверия к результатам измерений. Измерения, для которых известны вероятные характеристики отклонения результатов от истинного значения, относятся к достоверным. Наличие погрешности ограничивает достоверность измерений, так как вносит ограничение в число достоверных значащих цифр числового значения измеряемой величины и определяет точность измерений.

65

Сходимость измерений – качество измерений, отражающее близость друг к другу результатов измерений, выполняемых в одинаковых условиях и с одинаковой тщательностью.

Воспроизводимость измерений – качество измерений, отражающее близость друг к другу результатов измерений, выполненных в различных условиях (в различное время, в различных лабораториях и т.д.). Более подробно показатели качества измерений в химическом анализе будут рассмотрены в разделе 5.

3.3.5 Причины возникновения и классификация погрешностей измерений

Причины возникновения погрешности различны, поскольку измерительные преобразования осуществляются с применением различных физических явлений, на основании которых можно установить соответствие между измеряемой величиной объекта исследования и выходного сигнала средства измерения, по которому оценивается результат измерения. Точно установить это соответствие никогда не удается вследствие недостаточной изученности объекта исследования, неадекватности его принимаемой модели, невозможности точного учета влияния внешних факторов, недостаточной разработанности теории физических явлений, использование простых, но приближенных аналитических зависимостей вместо более точных и сложных и т.д. В результате этого часто принимается зависимость между измеряемой величиной и выходным сигналом средства измерения, которая отличается от реального, что приводит к погрешности, которую называют методической по-

грешностью измерения.

Впогрешность измерений входит погрешность средств измерений, используемых в эксперименте. Составляющая погрешности, обусловленная погрешностями применяемых средств измерения называется инструментальной погрешностью. Она зависит от схемы и качества выполнения преобразовательных элементов, погрешности показывающего прибора, состояния средства измерения в процессе его эксплуатации и др.

Следует также учитывать, что включение средства измерения в цепь, где производится измерение, может изменить режим цепи за счет взаимодействия средств измерения с цепью. Составляющую возникающей при этом погрешности называют энергетической. Часть энергетической погрешности в отдельности не рассматривается, ее относят к инструментальной, поскольку она тоже обуславливается несовершенством средств измерений.

Впроцессе измерения часто принимают участие экспериментаторы. Они могут внести так называемую субъективную погрешность, которая является следствием индивидуальных свойств человека и физиологическими особенностями его организма или укоренившимися неправильными навыками.

Вусловиях эксперимента у применяемых средств измерения могут возникать

погрешности из-за влияния внешних факторов – температуры окружающей сре-

ды, внешних магнитных полей и т.п.

Следует заметить, что в основу приведенной классификации погрешности положены причины их возникновения. Существуют и другие признаки классификации погрешности в зависимости от:

– характера поведения измеряемой величины в процессе измерения;

– характера измерения погрешности или закономерности ее проявления;

– способа выражения погрешности.

66

Взависимости от режима работы используемого средства измерения (статического или динамического) или характера поведения измеряемой величины различа-

ют погрешности измерений в статическом режиме (статические погрешности) и

погрешности в динамическом режиме. В статическом режиме измеряемая величина и выходной сигнал средства измерения, по которому оценивают результат измерения, являются неизменными во времени. В динамическом режиме выходной сигнал изменяется во времени. Соответственно статической называют погрешность средств измерения, используемых для измерения постоянной величины, а динамической называют разность между погрешностью средств измерения в динамическом режиме и его статической погрешностью соответствующей значению величины в данный момент времени.

Взависимости от характера измерения погрешности различают:

–систематическую погрешность измерения – составляющую погрешности измерения, остающуюся постоянной или закономерно изменяющуюся при измерении одной и той же величины (погрешность градуировки шкалы, температурная погрешность и др.),

–случайную погрешность измерения – составляющую погрешности измере-

ния, изменяющуюся случайным образом при повторном измерении одной и той же величины (влияние внешних условий, электромагнитных полей, нестабильного напряжения питания и др.)

Систематические погрешности могут быть в значительной степени исключены или уменьшены устранением источников погрешности или введением поправок.

Случайные погрешности, как правило, вызываются сложной совокупностью изменяющихся факторов, обычно неизвестных экспериментатору и трудно поддающихся анализу. Иногда причины появления случайной погрешности известны. В этом случае для уменьшения случайных погрешностей уменьшают влияние причин на результат измерения. При невозможности устранения этих причин или когда они неизвестны, влияние слияний погрешностей на результат измерения можно уменьшить путем проведения многократных измерений одного и того же значения измеряемой величины с дальнейшей статической обработкой получившихся результатов методами теории вероятности.

Кроме перечисленных погрешностей измерений встречаются грубые погрешности, существенно превышающие ожидаемую погрешность. Результат измерений, содержащий грубую погрешность, называют промахом. Промах можно выяснить путем обработки результатов повторных измерений методом теории вероятности. После выявления промахи должны быть исключены.

В зависимости от способа выражения различают абсолютную и относительную погрешности. Абсолютная погрешность выражается в единицах измеряемой величины. Относительная погрешность выражается в процентах и является более наглядной характеристикой точности при сравнении различных результатов измерений.

3.4Средства измерений и их метрологические характеристики

3.4.1Классификация средств измерений

67

Согласно закону «Об обеспечении единства измерений» средство измерений

– техническое средство, предназначенное для измерений. В РМГ 29-99 [10] приведены понятия:

–Средства измерительной техники (измерительная техника) – обобщающее понятие, охватывающее технические средства, специально предназначенные для измерений. К средствам измерительной техники относят средства измерений и их совокупности (измерительные системы, измерительные установки), измерительные принадлежности, измерительные устройства и т.д.).

–Средство измерений – техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее

и(или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени.

Приведенное определение вскрывает суть средства измерений, заключающуюся, во-первых, в "умении" хранить (или воспроизводить) единицу физической величины; во-вторых, в неизменности размера хранимой единицы. Эти важнейшие факторы и обусловливают возможность выполнения измерения (сопоставление с единицей), т.е. "делают" техническое средство средством измерений.

Если размер единицы в процессе измерений изменяется более чем установлено нормами, таким средством нельзя получить результат с требуемой точностью. Это означает, что измерять можно лишь тогда, когда техническое средство, предназначенное для этой цели, может хранить единицу, достаточно неизменную по размеру (во времени).

Средства измерений – это технические средства, имеющие нормированные метрологические характеристики. По функциональному назначению средства измерений делят на следующие группы: меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные информационные системы, измерительные установки.

Мерой физической величины (мерой) называется средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью.

Различают следующие разновидности мер:

однозначная мера – мера, воспроизводящая физическую величину одного размера (например, гиря 1 кг);

многозначная мера – мера, воспроизводящая физическую величину разных размеров (например, штриховая мера длины);

набор мер – комплект мер разного размера одной и той же физической величины, предназначенных для применения на практике как в отдельности, так и в различных сочетаниях (например, набор концевых мер длины);

магазин мер – набор мер, конструктивно объединенных в единое устройство, в котором имеются приспособления для их соединения в различных комбинациях (например, магазин электрических сопротивлений).

Измерительный прибор - средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне.

68

По способу индикации значений измеряемой величины измерительные приборы разделяют на: показывающие и регистрирующие.

По действию измерительные приборы разделяют на: интегрирующие и суммирующие. Также различают: приборы прямого действия и приборы сравнения, аналоговые и цифровые приборы, самопишущие и печатающие приборы.

Измерительная установка - совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенная для измерений одной или нескольких физических величин и расположенная в одном месте.

Измерительную установку, применяемую для поверки, называют поверочной установкой. Измерительную установку, входящую в состав эталона, называют эталонной установкой. Некоторые большие измерительные установки называют измерительными машинами.

Измерительная система - совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта и т.п. с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в разных целях. В зависимости от назначения измерительные системы разделяют на измерительные информационные, измерительные контролирующие, измерительные управляющие системы и др.

Измерительный преобразователь - техническое средство с метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи.

Наиболее многочисленной группой средств измерений являются измерительные приборы и преобразователи, которые обобщенно называются измерительными устройствами. В силу большого разнообразия их классифицируют по различным признакам:

–по используемым физическим процессам измерительные устройства разделяют на механические, электромеханические, электронные, оптоэлектронные и т.д.;

–по физической природе измеряемой величины различают вольтметры, амперметры, термометры, манометры, уровнемеры, влагомеры и т.д.;

–по виду измеряемой величины или сигнала измерительной информации, а также по способу обработки сигнала приборы делятся на: аналоговые и цифровые.

По метрологическому назначению все средства измерений (СИ) подразделяются на два вида: рабочие СИ и эталоны.

Рабочие СИ предназначены для проведения технических измерений.

По условиям применения они могут быть: 1) лабораторными, используемыми при научных исследованиях, проектировании технических устройств, медицинских измерениях; 2) производственными, используемыми для контроля характеристик технологических процессов, контроля качества готовой продукции, контроля отпуска товаров; 3) полевыми, используемыми непосредственно при эксплуатации таких технических устройств, как самолеты, автомобили, речные и морские суда и др.

69

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

Передача размера осуществляется в процессе поверки СИ. Целью поверки является установление пригодности СИ к применению.

3.4.2Стандартные образцы и аттестованные смеси

Всоответствии с новой редакцией закона «Об обеспечении единства измерений» стандартные образцы (СО) также относятся к средствам измерений.

Стандартный образец – образец вещества (материала) с установленными по результатам испытаний значениями одной и более величин, характеризующих состав или свойство этого вещества (материала).

По РМГ 29-99 стандартный образец есть образец вещества (материала) с установленными в результате метрологической аттестации значениями одной или более величин, характеризующими свойство или состав этого вещества (материала).

Различают стандартные образцы свойства и стандартные образцы состава.

Стандартные образцы свойств веществ и материалов по метрологическому назначению выполняют роль однозначных мер. Они могут применяться в качестве рабочих эталонов (с присвоением разряда по государственной поверочной схеме).

Примеры: СО свойства – это СО относительной диэлектрической проницаемости, СО высокочистой бензойной кислоты и т.д. СО состава – это СО состава углеродистой стали, СО состава раствора массовой концентрации меди, СО состава природной воды и т.д.

В отличии от обычных средств измерений стандартный образец – это расходуемое средство измерений.

Основные положения по стандартным образцам приведены в ГОСТ 8.315-97 [12]. Согласно этому стандарту стандартный образец состава или свойств вещества (материала); стандартный образец; СО – это средство измерений в виде оп-

ределенного количества вещества или материала, предназначенное для воспроизведения и хранения размеров величин, характеризующих состав или свойства этого вещества (материала), значения которых установлены в результате метрологической аттестации, используемое для передачи размера единицы при поверке, калибровке, градуировке средств измерений, аттестации методик выполнения измерений и утвержденное в качестве стандартного образца в установленном порядке.

Из многочисленных свойств, присущих конкретному веществу (материалу): тепловых, механических, химических и др., СО предназначен для воспроизведения размеров только тех из них, которые подлежат количественной оценке путем измерений при контроле, испытаниях или в других целях, обусловленных практическим использованием этого вещества (материала).

Стандартные образцы предназначены для применения в системе обеспечения единства измерений для:

70