Метрология и метрологическое обеспечение

учебное пособие

1. Теоретические основы метрологии. Определяющие признаки, элементы и этапы процесса измерений. Основные понятия, связанные с объектами и средствами измерений

Метрология - наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности (РМГ 29-99).

Измерение - совокупность операций, выполняемых для определения количественного значения величины (ФЗ от 26.06.2008 № 102-ФЗ).

Единство измерений - состояние измерений, при котором их результаты выражены в допущенных к применению в Российской Федерации единицах величин, а показатели точности измерений не выходят за установленные пределы (ФЗ от 26.06.2008 № 102-ФЗ).

В современной практике принято различать три раздела метрологии: теоретическая метрология, прикладная метрология, законодательная метрология. Из наименований этих разделов ясно, что теоретическую основу метрологии составляет теоретическая метрология, имеющая в свою очередь сложную структуру, включающую ряд взаимосвязанных направлений и областей исследований.

К числу важнейших принципов метрологии следует отнести:

- принцип измеримости - не существует таких материальных процессов и объектов, которые не могли бы стать объектом измерений;

- принцип относительности результатов измерений - проявляется в двух аспектах: 1) необходимо учитывать возмущающее воздействие средства измерений на объект, 2) главенствующая роль априорной информации в процессе измерений;

- принцип единства объективного и субъективного в измерении - проявляется в структуре измерения, включающей звенья системы «объект - средство измерений - условия - экспериментатор»;

- принцип неопределенности измерительной информации - история измерений не знает результатов, которые можно было бы принять за абсолютную истину и которые не могли бы в последующем быть уточнены.

На базе приведенных принципов сформулированы два постулата метрологии:

б - истинное значение измеряемой величины существует.

в - истинное значение измеряемой величины отыскать невозможно.

В философском аспекте измерения - один из способов познания окружающего нас мира. Процесс познания может осуществляться на теоретическом и экспериментальном уровнях. Измерения обязательно связаны с экспериментом, обеспечивают связь теоретического и экспериментального знания, теоретических расчетов с практикой.

В производственной практике в основном присутствуют три вида экспериментов: измерения, контроль и испытания. Измерения являются преобладающим видом экспериментальных работ. Если в эксперименте выявляется количественная определенность какого-либо свойства явления или объекта, имеет место измерительный эксперимент. Например, если информация, получаемая при контроле, имеет четко выраженное числовое значение, следует говорить об измерительном контроле, включающем в себя измерение и последующее сравнение с нормой. Измерения могут составлять основное содержание и цель эксперимента, и могут быть основой или составной частью других видов экспериментальных работ.

Для отличия измерений от других способов получения информации выделим характерные признаки и особенности измерений, которые позволяют объединить этим термином технические операции разной степени сложности - от простого прикладывания линейки до определения скорости движения элементарной частицы или параметров орбиты небесного тела.

Общие признаки измерений

Вытекающие условия, определения

1.Единство функционального назначения и цели - получение количественной информации (числового значения) о свойствах объекта измерений.

Объект измерений - тело (физическая система, процесс, явление и т.д.), которое характеризуется одной или несколькими измеряемыми физическими величинами.

Измеряемая величина - физическая величина, подлежащая измерению.

Измерительная информация - информация о значениях измеряемых величин.

1.Для измерения должна быть выделена физическая величина (ФВ) - характерный признак (свойство) явления, тела или вещества, который может выделяться качественно и определяться количественно. 2.Установление единиц измерения физических величин для количественной градации измеряемой величины.

3. Основное уравнение измерений:

Q=N[Q]

/размер ФВ/=/число/*/единица ФВ/

2. Общность способов получения измерительной информации в результате непосредственного взаимодействия специального технического средства с объектом измерений

Измерение - совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины (РМГ 29-99).

3. Общность структуры и основных этапов процесса измерений

Основные этапы измерений:

1) постановка задачи и построение модели объекта (установление измеряемых величин)

2) планирование измерений, выбор методов и средств измерений

3) выполнение экспериментальных операций получения измерительной информации

4) математическая обработка данных, оценка погрешностей измерений.

4. Единство методологии оценки степени достижения цели

В перечне этапов только этап 3) является экспериментальным, остальные этапы - теоретические, но очень важные для правильной организации и проведения измерительного эксперимента, определяющие качество процесса измерений.

Содержание этапов 1) и 2), предваряющих измерительный эксперимент, - это поиск ответов на ряд последовательно поставленных вопросов.

1. Что измерить? Отвечая на этот вопрос, мы создаем в своем сознании модель объекта, то есть упрощенное и приближенное отображение реального объекта. На основе априорной информации мы конкретизируем объект до определенной физической величины, подлежащей измерению, ограничиваем возможный диапазон реальных значений ФВ, то есть задаемся исходной степенью неопределенности информации об объекте. При полном отсутствии априорной информации измерение в принципе невозможно.

2. Как измерить? Выбирается метод измерений - прием или совокупность приемов сравнения измеряемой величины с ее единицей, принцип измерений - физическое явление или эффект, положенное в основу измерений, другие параметры измерительного эксперимента - число измерений, моменты времени и пространственные точки выполнения измерений.

3. Чем измерить? Выбирается средство измерений (СИ) - 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.

4. Кто измерит? Определяется субъект измерений, его ответственность и квалификация.

5. Как обработать данные измерений? На этапе планирования измерений закладывается метод обработки полученных данных и оценки степени достижения цели измерений.

С позиций и представлений теории информации цель и сущность измерений состоит в уменьшении неопределенности (энтропии) информации о значении измеряемой величины (Эапост << Эапр). Оценить степень достижения цели - значит определить неопределенность измерений - параметр, связанный с результатом измерений и характеризующий рассеяние значений, которые можно приписать измеряемой величине. Пример - доверительные границы погрешности результата измерений.

Результат измерения - значение физической величины, полученное путем ее измерения.

Погрешность результата измерений - отклонение результата измерений от истинного (действительного) значения измеряемой величины.

Во многих массовых измерениях этапы планирования и оценки погрешностей измерений выполняются заранее и оформляются в виде специального документа. Методика выполнения измерений (МВИ) - установленная совокупность операций и правил при измерении, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с гарантированной точностью. Но даже при отсутствии какого-либо регламентирующего документа эти этапы незримо присутствуют при любом измерении.

В измерениях следует различать две ветви процесса - ветвь реальных измерений и ветвь их модельных отражений. Субъект измерений объединяет эти ветви и обеспечивает завершенность процесса, то есть представление результата измерений с оценкой его неопределенности.

К числу основных понятий метрологии, используемых при измерениях и представлении результатов измерений, относятся также понятия «шкала» и «система единиц».

Шкала физической величины - упорядоченная совокупность значений физической величины, служащая исходной основой для измерений данной величины.

Типы шкал:

1. Шкала наименований (классификации). Применяется для неколичественных сравнений. Пример - атлас цветов, образцы шероховатости.

2. Шкала рангов (порядка). Монотонно возрастающая или убывающая последовательность величин, для которой не определена единица измерений, но могут быть выделены отдельные опорные значения (реперные точки). Пример - условная шкала Бофорта (сила ветра - 12 баллов), шкала вязкости Энглера, шкала твердости минералов Мооса (10 опорных значений от талька - 1, до алмаза - 10).

Эти две шкалы - неметрические (условные), по ним возможно только сравнение или оценка, измерение в соответствии с определением данного термина невозможно из-за отсутствия единиц величин.

3. Шкала интервалов (разности). Имеет две опорные точки (основные реперы), одна из которых принята за начало отсчета, а значение [Q] = (Q1-Q0)/n - за единицу измерений (n - целое число). Пример - температурные шкалы Цельсия, Реомюра, Фаренгейта.

4. Шкала отношений. Имеет естественный критерий нулевого состояния физической величины и единицу измерений (шкала интервалов с естественным нулем). Шкалы отношений - самые совершенные и распространенные при измерениях шкалы.

5. Абсолютная шкала - для относительных величин, единица измерений безразмерная.

Система единиц величин - совокупность основных и производных единиц величин, образованная в соответствии с установленными принципами. Применяемые в России единицы величин установлены в ГОСТ 8.417-2002 «ГСИ. Единицы величин».

Символы (размерность) основных величин системы единиц СИ:

L - длина (м), M - масса (кг), T - время (с), I - электрический ток (А), Q - термодинамическая температура (К), J - сила света (кд), N - количество вещества (моль).

Когерентная производная единица физической величины - производная единица физической величины, связанная с другими единицами системы единиц уравнением связи, в котором числовой коэффициент равен 1.

Примеры когерентных производных единиц физических величин:

Давление

L-1MT-2

Па (паскаль)

Мощность

L2MT-3

Вт (ватт)

Электрическое напряжение

L2MT-3I-1

В (вольт)

Электрическая емкость

L-2M-1T4I2

Ф (фарад)

Электрическое сопротивление

L2MT-3I-2

Ом (ом)

Индуктивность

L2MT-2I-2

Гн (генри)

Делись добром ;)