Стандаттизация методов и средств измерений

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «Челябинский государственный педагогический университет»

Региональный институт педагогического образования и дистанционного

обучения

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по метрологии, стандартизации и взаимозаменяемости

тема: Стандартизация методов и средств измерения

                                                          Выполнил: Студент гр. 351

лоапп                  

                                                                        Проверил:   лорпрппо    

Касли 2010

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение……………………………………………………………………...……3

1. Измерение, методы и классификация измерений………………………...….4

1.1. Измерение……………………………………………………………...….4

1.2. Классификация измерений…………………………………………....….6

1.3. Методы измерений…………………………………………………..……9

2. Средства измерений и их погрешности……………………………….……..12

2.1. Средства измерения……………………………………………………..12

2.2. Погрешности средств измерений……………………………………….17

Заключение…………………………………………………………………….....22

Список литературы………………………………………………………………23

ВВЕДЕНИЕ

В наиболее широком смысле к "измерениям" относят обнаружение наличия или отсутствия каких-либо свойств, качественную оценку любого свойства, сопоставление величин с нормами, оценку свойства по косвенным показателям и ряд других действий. В отличие от геометрии, социометрии, антропометрии, и квалиметрии, имеющей наиболее широкий набор объектов оценки, метрология занимается измерениями физических величин. Потому мы не будем рассматривать получение экспертных оценок, а сосредоточимся только на измерениях тех параметров, которые подлежат объективной оценке с использованием средств измерений. Такие параметры в большинстве представляют собой физические величины, а их экспериментальные оценки называют аппаратурными или инструментальными в отличие от экспертных (органолептических) оценок, при получении которых инструментарием являются чувства человека.

1. Измерение, методы и классификация измерений

1.1           Измерение

Измерение физической величины – 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.

Суть измерения состоит в определении числового значения физической величины. Этот процесс называют измерительным преобразованием, подчеркивая связь измеряемой физической величины с полученным числом. Можно представить однократное преобразование или цепочку преобразований измеряемой физической величины в иную величину, и конечной целью преобразования является получение числа (рис. 1). Более строго это можно представить как получение информации о физической величине и такое ее преобразование, с помощью которого определяют соотношение измеряемой физической величины и единицы этой величины.

Измерительное преобразование всегда осуществляется с использованием некого физического закона или эффекта, который рассматривают как принцип, являющийся основой измерения.

 Принцип измерений – физическое явление или эффект, положенное в основу измерений

Например, измерение температуры с помощью термопары (использование термоэлектрического эффекта); измерение массы взвешиванием на пружинных весах (определение силы тяжести, которая пропорциональна искомой массе, основано на принципе пропорционального упругого растяжения) и др. Поскольку принципы измерений связаны с измерительными преобразованиями, то можно говорить о средствах измерений, построенных на механических, оптических, электрических, пневматических, гидравлических, магнитных и других, в том числе и комбинированных принципах преобразования измерительной информации, чем фактически определяются принципы измерений при использовании этих средств.

       Для систематизации подхода к измерению, для выявления и оценки погрешностей, прежде всего, необходимо классифицировать сами измерения.

1.2 Классификация измерений

Область измерений – совокупность измерений физических величин, свойственных какой-либо области науки или техники и выделяющихся своей спецификой. В соответствии с определением выделяют ряд областей измерений: механические, магнитные, акустические, измерения ионизирующих излучений и др.

Видом измерений названа часть области измерений, имеющая свои особенности и отличающаяся однородностью измеряемых величин. Приведены примеры видов измерений: измерения электрического сопротивления, электродвижущей силы, электрического напряжения, магнитной индукции, относящиеся к области электрических и магнитных измерений. Дополнительно выделены подвиды измерений – часть вида измерений, выделяющаяся особенностями измерений однородной величины (по диапазону, по размеру величины и др.) и примеры подвидов (измерения больших длин, имеющих порядок десятков, сотен, тысяч километров или измерения сверхмалых длин — толщин пленок как подвиды измерений длины).

Более широкая трактовка видов измерений (с использованием различных оснований классификации) позволяет отнести к ним также приведенные в НД, но не сформированные в классификационные группы измерения, характеризуемые следующими альтернативными парами терминов:

·        прямые и косвенные измерения,

·        совокупные и совместные измерения,

·        абсолютные и относительные измерения,

·        однократные и многократные измерения,

·        статические и динамические измерения,

·        равноточные и неравноточные измерения.

Прямые и косвенные измерения различают в зависимости от способа получения результата измерений.

 Прямое измерение – измерение, при котором искомое значение физической величины получают непосредственно.

Отмечено, что при строгом подходе существуют только прямые измерения и предлагается применять термин прямой метод измерений. Это предложение нельзя назвать удачным (см. далее классификацию методов измерений). Как примеры прямых измерений приведены: измерение длины детали микрометром, силы тока амперметром, массы на весах.

Косвенное измерение – определение искомого значения физической величины на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной. Там же сказано, что вместо термина косвенное измерение часто применяют термин косвенный метод измерений (это вариант явно неудачный).

ений.

Прямые и косвенные измерения характеризуют измерения некоторой конкретной одиночной физической величины. Измерение любого множества физических величин классифицируется в соответствии с однородностью (или неоднородностью) измеряемых величин. На этом и построено различение совокупных и совместных измерений.

Совокупные измерения – проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин определяют путем решения системы уравнений, получаемых при измерениях этих величин в различных сочетаниях. Приведенный пример – определение значений массы отдельных гирь набора по известному значению массы одной из гирь и по результатам измерений (сравнений) масс различных сочетаний

гирь подтверждает, что определению соответствуют не измерения, а специальные исследования, направленные на поиск погрешностей ряда мер массы.

Для отображения результатов, получаемых при измерениях, могут быть использованы разные оценочные шкалы, в том числе градуированные в единицах измеряемой физической величины, либо в некоторых относительных единицах, в том числе и в неименованных. В соответствии с этим принято различать абсолютные и относительные измерения.

Абсолютное измерение – измерение, основанное на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значений физических констант.

Относительное измерение – измерение отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерение изменения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.

По числу повторных измерений одной и той же величины различают однократные и многократные измерения. Однократное измерение – измерение, выполненное один раз.

Многократное измерение – измерение физической величины одного и того же размера, результат которого получен из нескольких следующих друг за другом измерений, т. е. состоящее из ряда однократных измерений.

Многократные измерения проводят или для страховки от грубых погрешностей или для последующей математической обработки результатов (расчет средних значений, статистическая оценка отклонений и др.). Многократные измерения называют также «измерения с многократными наблюдениями». В зависимости от поставленной цели число повторных измерений может колебаться в широких пределах (от двух измерений до нескольких десятков и даже сотен).

         Статическое измерение – измерение физической величины, принимаемой в соответствии с конкретной измерительной задачей за неизменную на протяжении времени измерения. Примеры (измерение длины детали при нормальной температуре и измерение размеров земельного участка) скорее запутывают, чем проясняют ситуацию.

Динамическое измерение – измерение изменяющейся по размеру физической величины.

По реализованной точности и по степени рассеяния результатов при многократном повторении измерений одной и той же величины различают равноточные и неравноточные, а также на равнорассеянные и неравнорассеянные измерения.

Равноточные измерения – ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности средствами измерений в одних и тех же условиях с одинаковой тщательностью.

Неравноточные измерения – ряд измерений какой-либо величины, выполненных различающимися по точности средствами измерений и (или) в разных условиях.

В зависимости от планируемой точности измерения делят на технические и метрологические. К техническим следует относить те измерения, которые выполняют с заранее установленной точностью.

Метрологические измерения выполняют с максимально достижимой точностью, добиваясь минимальной (при имеющихся ограничениях) погрешности измерения.

1.3 Методы измерений

Метод измерений – прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. В примечании сказано, что метод измерений обычно обусловлен устройством средств измерений.

          Метод непосредственной оценки;

·        Метод сравнения с мерой;

·        Нулевой метод измерений;

·        Дифференциальный метод измерений;

·        Метод измерений замещением;

·        Метод измерений дополнением;

·        Контактный метод измерений;

·        Бесконтактный метод измерений.

Метод непосредственной оценки – метод измерений, при котором значение величины определяют непосредственно по показывающему средству измерений

Метод сравнения с мерой (метод сравнения) – метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.

Метод сравнения с мерой реализуется в нескольких разновидностях, среди которых различают:

-         дифференциальный и нулевой методы измерений,

-         метод совпадений,

-         метод измерений замещением и метод противопоставления,

-         метод измерений дополнением.

Дифференциальный метод измерений (дифференциальный метод) – метод измерений, при котором измеряемая величина сравнивается с однородной величиной, имеющей известное значение, незначительно отличающееся от значения измеряемой величины, и при котором измеряется разность между этими двумя величинами

         Нулевой метод измерений (нулевой метод) – метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводят до нуля.

Метод совпадений  – метод сравнения с мерой, в котором значение измеряемой величины оценивают, используя совпадение ее с величиной, воспроизводимой мерой (т.е. с фиксированной отметкой на шкале физической величины).

В зависимости от одновременности или неодновременности воздействия на прибор сравнения измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой, различают метод измерений замещением и метод противопоставления.

          Метод измерений замещением (метод замещения) – метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают мерой с известным значением величины.

         Метод замещения – метод сравнения с мерой, в котором известную величину, воспроизводимую мерой, после настройки прибора замещают измеряемой величиной, то есть эти величины воздействуют на прибор последовательно.

 Метод противопоставления – метод сравнения с мерой, в котором измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение между этими величинами.

          Метод измерений дополнением (метод дополнения) – метод сравнения с мерой, в котором значение измеряемой величины дополняется мерой этой же величины с таким расчетом, чтобы на прибор сравнения воздействовала их сумма, равная заранее заданному значению.

         Контактный метод измерений (контактный метод) – метод измерений, основанный на том, что чувствительный элемент прибора приводится в контакт с объектом измерения.

        Бесконтактный метод измерений (бесконтактный метод) – метод измерений, основанный на том, что чувствительный элемент средства измерений не приводится в контакт с объектом измерения.

2.  Средства измерений и их погрешности

2.1 Средство измерения

Средства измерительной техники (измерительная техника) – обобщающее понятие, охватывающее технические средства, специально предназначенные для измерений. В примечании поясняется, что к средствам измерительной техники относят средства измерений и их совокупности (измерительные системы, измерительные установки), измерительные принадлежности, измерительные устройства.

Измерительные принадлежности – вспомогательные средства, служащие для обеспечения необходимых условий для выполнения измерений с требуемой точностью.

К средствам измерительной техники, непосредственно участвующим в получении и преобразовании измерительной информации относятся средства измерений.

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. Основным признаком в данном определении являются нормированные метрологические характеристики, что подразумевает и возможность воспроизведения единицы физической величины с требуемой точностью, и ее сохранение на протяжении всего периода метрологической пригодности средства измерений.

В зависимости от функционального назначения и конструктивного исполнения различают такие виды средств измерений, как меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, индикаторы, измерительные установки, измерительные системы, измерительно-вычислительные комплексы.

Простейшим средством измерений является мера. Главная отличительная особенность меры – отсутствие каких-либо преобразований измерительной информации самим средством измерений. Мера физической величины (мера величины; мера) – 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.

Меры, предназначенные для воспроизведения физической величины заданного размера, называют однозначными, а воспроизводящие физические величины ряда размеров – многозначными.

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

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

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

Измерительный прибор предназначен для получения измерительной информации от измеряемой физической величины, ее преобразования и выдачи в форме, поддающейся непосредственному восприятию оператором. Прибор включает в себя один или несколько измерительных преобразователей и присоединенное к ним устройство отображения измерительной информации типа шкала-указатель, указатель-диаграммная бумага, числовое табло. В зависимости от системы представления информации различают показывающие или регистрирующие приборы, причем регистрирующие могут быть записывающими либо печатающими, а в зависимости от формы выходного сигнала различают приборы е аналоговым либо с дискретным выходом («дискретные» приборы часто называют «цифровыми»).

          Принято различать также приборы прямого действия и приборы сравнения. Под прибором сравнения подразумевается компаратор. Компаратор – средство сравнения, предназначенное для сличения мер однородных величин.

Средство сравнения – техническое средство или специально создаваемая среда, посредством которых возможно выполнять сравнения друг с другом мер однородных величин или показания измерительных приборов.

Если «средство сравнения» предназначено для реализации процедуры сравнения значений физических величин, то не следует путать его с такими объектами сравнения, как градуировочная жидкость, давление среды и другие.

Индикатор – техническое средство или вещество, предназначенное уровня ее порогового значения. Индикатор близости к нулю сигнала называют нулевым или нуль-индикатором. При химических реакциях в качестве индикатора применяют лакмусовую бумагу и какие-либо вещества. В области измерений ионизирующих излучений индикатор часто дает световой и (или) звуковой сигнал о превышении уровнем радиации его порогового значения.

Фактически индикаторы – это особый вид средств измерений, которые предназначены для установления наличия какой-либо физической величины или определения ее порогового значения (индикатор фазового провода электропроводки, индикатор контакта измерительного наконечника прибора линейных измерений с поверхностью детали, лакмусовая бумага, "индикатор пожара в помещении", индикаторы охранной сигнализации). В некоторых случаях в качестве индикаторов могут использоваться измерительные приборы (омметр при проверке обрыва в электрической цепи, часы-будильник, предельный электроконтактный измерительный преобразователь с визуальной или звуковой сигнализацией, называемый иногда «реле геометрических размеров»).

Основные и вспомогательные средства измерений и дополнительные устройства могут быть объединены в измерительные установки или измерительные системы.

Основное средство измерений – средство измерений той физической величины, значение которой необходимо получить в соответствии с измерительной задачей.

Вспомогательное средство измерений – средство измерений той физической величины, влияние которой на основное средство измерений или объект измерений необходимо учитывать для получения результатов измерений требуемой точности. Примером вспомогательного средства измерений является термометр для измерения температуры газа в процессе измерений объемного расхода этого газа.

Измерительная установка (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.

Вид средства измерений – совокупность средств измерений, предназначенных для измерений данной физической величины.

Тип средства измерений – совокупность средств измерений одного и того же назначения, основанных на одном и том же принципе действия, имеющих одинаковую конструкцию и изготовленных по одной и той же технической документации. Средства измерений одного типа могут иметь различные модификации (например, индикаторы часового типа ИЧ отличаются по диапазонам показаний).

Кроме того, средства измерений принято различать по принципам действия, то есть по физическим принципам, используемым для преобразования измеряемой величины или сигнала измерительной информации.

          Средства измерений узакониваются уполномоченным органом, например, путем утверждения типа средства измерений. Узаконенное средство измерений – средство измерений, признанное годным и допущенное для применения уполномоченным на то органом. Одним из методов официального утверждения является стандартизация средств измерений. Средства измерений подвергают испытаниям и в случае положительных результатов стандартизуют и вносят в Гос. реестр. Стандартизованное средство измерений – средство измерений, изготовленное и применяемое в соответствии с требованиями государственного или отраслевого стандарта. Одним из видов стандартизованных средств измерений является стандартный образец (СО) – образец вещества (материала) с установленными в результате метрологической аттестации значениями одной или более величин, характеризующими свойство или состав этого вещества (материала). Различают стандартные образцы свойств и стандартные образцы состава. Стандартные образцы свойств веществ и материалов являются однозначными мерами и могут применяться в качестве рабочих эталонов, с присвоением разряда в соответствии с местом в государственной поверочной схеме.

По метрологическому назначению различают эталонные и рабочие средства измерений. Рабочее средство измерений – средство измерений, предназначенное для измерений, не связанных с передачей размера единицы другим средствам измерений. Эталонные средства измерений называют также средствами поверки. Средства поверки – эталоны, поверочные установки и другие средства измерений, применяемые при поверке в соответствии с установленными правилами.

2.2 Погрешности средств измерений

Погрешность средства измерений – разность между показанием средства измерений и истинным (действительным) значением измеряемой физической величины.

Если говорить о погрешности прибора или измерительного преобразователя, следует отметить что она должна отличаться от погрешности измерения практическим отсутствием в результатах измерений методической и субъективной составляющих, а также погрешностей из-за отличия условий измерений от нормальных. Иначе говоря, эти составляющие погрешности измерения должны быть пренебрежимо малы по сравнению с искомой инструментальной составляющей погрешности измерения, при том, что последняя есть погрешность прибора или измерительного преобразователя. Практически так организована поверка средств измерений: разрабатывается методика поверки свободная от методических составляющих, поверку в нормальных условиях проводят квалифицированные операторы, в результате чего единственной значимой погрешностью является погрешность поверяемого средства измерений.

Для меры, которая должна воспроизводить величину заданного размера, за погрешность принимают разность между ее истинным и номинальным значениями.

Систематическая погрешность средства измерений (систематическая погрешность) – составляющая погрешности средства измерений, принимаемая за постоянную или закономерно изменяющуюся.

Поскольку систематическая погрешность конкретного средства измерений индивидуальна и может отличаться от систематической погрешности другого экземпляра средства измерений этого же типа, систематические погрешности группы однотипных средств измерений можно рассматривать как ансамбль случайно распределенных величин.

Случайная погрешность средства измерений (случайная погрешность) – составляющая погрешности средства измерений, изменяющаяся случайным образом.

По формам представления различают абсолютную и относительную погрешности средств измерений. Относительную погрешность обычно выражают в процентах. Разновидностью относительной является приведенная погрешность средства измерений – относительная погрешность, выраженная отношением абсолютной погрешности средства измерений к условно принятому значению величины, постоянному во всем диапазоне измерений или в части диапазона. Условно принятое значение величины называют нормирующим значением. Часто за нормирующее значение принимают верхний предел измерений.

В зависимости от условий использования средств измерений и режима измерений принято различать основную и дополнительную, статическую и динамическую погрешности.

Основная погрешность средства измерений – погрешность средства измерений, применяемого в нормальных условиях.

Дополнительная погрешность средства измерений – составляющая погрешности средства измерений, возникающая дополнительно к основной погрешности вследствие отклонения какой-либо из влияющих величин от нормального ее значения или вследствие ее выхода за пределы нормальной области значений.

Поскольку эти погрешности фактически не являются инструментальными, отнесение их к погрешностям средств измерений не вполне корректно. Однако наличие стандартных терминов может быть использовано при оценке погрешности измерений по составляющим.

Погрешности являются характеристикой точности средства измерений. Точность средства измерений – характеристика качества средства измерений, отражающая близость его погрешности к нулю.

Класс точности средства измерений – обобщенная характеристика данного типа средств измерений, как правило, отражающая уровень их точности, выражаемая пределами допускаемых основной и дополнительных погрешностей, а также другими характеристиками, влияющими на точность.

Класс точности средств измерений конкретного типа указывают в нормативных документах, используя шкалу порядка, либо шкалу отношений. В последнем случае число, обозначающее класс точности, отражает относительную погрешность средства измерений. Класс точности, оцениваемый по ранговой шкале, не является непосредственным показателем точности конкретного средства измерений.

В ГОСТ 8.009-84 в характеристики погрешностей измерительного прибора или преобразователя входят:

·        значение погрешности СИ (если доминирующей составляющей является случайная составляющая погрешности, а неисключенной систематической погрешностью СИ можно пренебречь, оно фактически совпадает со значением случайной составляющей погрешности);

·        значение случайной составляющей погрешности СИ;

·        значение среднего квадратического отклонения случайной составляющей погрешности СИ;

·        значение среднего квадратического отклонения случайной составляющей погрешности СИ и нормализованная автокорреляционная функция или функция спектральной плотности случайной составляющей погрешности СИ;

·        значение случайной составляющей погрешности СИ от гистерезиса (от вариации выходного сигнала);

·        значение систематической составляющей погрешности СИ;

·        комплекс в составе: значение систематической составляющей погрешности СИ, или значение среднего квадратического отклонения систематической составляющей погрешности СИ и математическое ожидание систематической составляющей погрешности СИ.

Условные обозначения характеристик погрешностей измерительного прибора (измерительного преобразователя) приведены в табл. 1.

Таблица 1

Обозначения характеристик погрешностей измерительного прибора

(измерительного преобразователя)

Использовать для измерений следует только те средства, которые признаны метрологически исправными. Нарушение хотя бы одной нормированной характеристики считается метрологическим отказом средства измерений, даже если оно сохранило техническую работоспособность. Понятие отказ взято из такой области качества, как надежность.

Метрологическая исправность средства измерений (метрологическая исправность) – состояние средства измерений, при котором все нормируемые метрологические характеристики соответствуют установленным требованиям.

Метрологический отказ средства измерений (метрологический отказ) – выход метрологической характеристики средства измерений за установленные пределы.

Метрологическая надежность средства измерений (метрологическая надежность) – надежность средства измерений в части сохранения его метрологической исправности.

Метрологическую исправность средств измерений устанавливают по результатам их поверки или калибровки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

         Я считаю, что стандартизация методов и средств измерений занимает важную роль в науке и технике т. к. нашу жизнь в 21 веке невозможно представить без предметов и вещей которые нас окружают, а ведь все они при создании были кем-то и как-то измерены. Чтобы эти измерения и методы мог совершить любой человек конечно же необходимо их стандартизировать.

Суть измерения состоит в определении числового значения физической величины. Этот процесс называют измерительным преобразованием, подчеркивая связь измеряемой физической величины с полученным числом

          Средства измерений узакониваются уполномоченным органом, например, путем утверждения типа средства измерений. Узаконенное средство измерений – средство измерений, признанное годным и допущенное для применения уполномоченным на то органом. Одним из методов официального утверждения является стандартизация средств измерений. Средства измерений подвергают испытаниям и в случае положительных результатов стандартизуют и вносят в Гос. реестр. Стандартизованное средство измерений – средство измерений, изготовленное и применяемое в соответствии с требованиями государственного или отраслевого стандарта.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Бирюков С. В. , Чередов А. И. «Методы и средства измерений» 1999 г.

2 Димов Ю. В. , «Метрология, стандартизация и сертификация» 2002 г.

3 Тартаковский Д. Д. , Ястребов А. С. «Метрология, стандартизация и технические средства измерений»