Метрология. Основные понятия
Теоретической основой любой измерительной техники является – метрология.
Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения заданного уровня точности. В переводе с греческого метрон – мера, логос – учение, понятие, т.е. учение о мерах.
Д. И. Менделеев, выполнивший исключительно важные работы в области метрологии, говорил – «Наука начинается с тех пор, как начинают измерять». Организованная им в 1893 г. Палата мер и весов ныне является центральным метрологическим учреждением России и называется Всероссийским научно-исследовательским институтом метрологии (ВНИИМ) им. Д.И. Менделеева.
Метрология делится на три самостоятельных и взаимодополняющих раздела.
Теоретическая метрология, в которой излагаются общие вопросы теории измерений.
Прикладная метрология рассматривает комплексы общих правил, требований и норм, а так же другие вопросы, нуждающиеся в регламентации и контроле со стороны государства, направленные на обеспечение единства измерений и единообразия средств измерений.
Законодательная метрологиярассматривает комплексы общих правил, требований и норм, а также другие вопросы, нуждающиеся в регламентации и контроле со стороны государства, направленные на обеспечение единства измерений и единообразия средств измерений (СИ).
К основным задачам метрологии относятся:
1. Общая теория измерений.
2. Единицы физических величин и их системы.
3. Методы и средства измерений.
4. Методы определения точности измерений.
5. Основы обеспечения единства измерений и единообразия СИ.
6. Эталоны и рабочие эталоны.
7. Методы передачи размеров единиц от эталонов или рабочих
эталонов рабочим СИ.
Рассмотрим ряд понятий относящихся к измерениям, используемых в метрологии и измерительной технике.
Физической величиной (параметром) называют свойство, общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта.
Размер физической величины – количественное содержание в данном объекте свойства, соответствующего понятию физическая величина (ФВ).
Размер служит для отображения количественного различия между физическими объектами по рассматриваемому свойству. В результате формируется заключение о сравниваемых объектах: длиннее или короче, тяжелее или легче, теплее или холоднее и т.п.
Единица физической величины – это физическая величина, которой, по определению, приписано значение, равное единице. Единицу физической величины определяют путем пропорционального деления основного интервала шкалы физической величины.
[ S ] =(S1-S0)/n, (1.1)
где: [ S ] – некоторый размер ФВ, называемый единицей ФВ;
S1 – верхний размер ФВ (конечный);
S0 – нижний размер ФВ (начальный);
n – доля интервала ФВ
(S1-S0) – интервал между размерами S1 и S0, называемый основным
интервалом шкалы ФВ.
Измеряемая величина – это ФВ, выбранная для измерения.
Измерение – это нахождение физической величины (ФВ) опытным путем с помощью специальных технических средств.
В более широком смысле измерение – это процесс приема и преобразования информации об измеряемой величине с целью получения сравнительного результата; сравнения её с принятой шкалой или единицей измерения и выдачи её в форме пригодной для дальнейшего использования человеком или ЭВМ.
Измерительное преобразование – отражение размера одной ФВ размером другой ФВ, функционально с ней связанной.
Процесс решения любой задачи измерения включает в себя три этапа: подготовку, проведение измерения (эксперимента) и обработку результатов.
Процесс измерения включает в себя ряд составных элементов, которые показаны на рис. 1.1.
Объект измерения – это сложное явление или процесс, характеризующийся множеством отдельных ФВ (параметров), каждая из которых
Рис. 1.1. Структурная схема процесса измерения:
СИ – средство измерения; М – мера; Y – результат измерения;
X – измеряемая величина; Z – влияющая физическая величина (ВФВ)
может быть измерена в отдельности, но в реальных условиях действует на измерительное устройство совместно со всеми остальными параметрами. В теплоэнергетике основными объектами измерения являются котел, турбина и их вспомогательное оборудование.
В процессе измерения на СИ, оператора и объект измерения воздействуют внешние факторы – влияющие физические величины ВФВ.
ВФВ называют ФВ, которая не измеряется данным СИ, но оказывает влияние на результат измерения, проведённым этим средством (температура окружающей среды, атмосферное давление, влажность и т.п.).
В общем случае СИ называется техническое средство (мера, измерительный прибор или преобразователь, измерительная система), используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические характеристики (класс точн ости, вариация и т.п.).
Мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера.
Результат измерений величины Х можно записать в виде формулы, называемой основным уравнением измерения:
Х = Y [ Х ], (1.2)
где Y – отвлеченное число, называемое числовым значением ФВ;
[ Х ] – единица ФВ.
Результат измерения – это значение физической величины, найденное путём её измерения.
Различают истинное и действительное значение измеряемой величины.
Истинное значение ФВ – значение ФВ, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта.
В философском аспекте истинное значение всегда остается неизвестным, а совершенствование измерений позволяет приближаться к истинному значению физической величины. Tп.в.=1000C=99,9740C.
В метрологическом аспекте истинным значением измеряемой величины называется её значение свободное от погрешности измерения, т.е. не содержащее погрешности:
Yu= φ (Xu), если М = Мu. (1.3)
Истинное значение измеряемой величины практически получить невозможно, поэтому уравнение (1.3) перепишем следующим образом:
Yu ± ∆Y = φ(Xu± ∆Х), если М = Мu±∆М, (1.4)
где ∆Y – погрешность результата измерений;
∆Х – погрешность измеряемой величины;
∆М – погрешность меры.
Если эти погрешности минимально возможные, которые можно получить при современном уровне измерительной техники, то данный результат измерений можно назвать действительным значением ФВ.
Действительное значение ФВ – это значение ФВ, найденное экспериментальным путём и настолько приближающееся к истинному, что для данной цели может быть использовано вместо него.
Следовательно, для оценки точности измерения в практике принимается вместо истинного значения измеряемой величины действительное значение измеряемой величины, т.е. значение измеряемой величины, полученное с наибольшей точностью. Его получают в результате измерения с минимально допускаемой погрешностью, как правило, с помощью рабочих эталонов,
Чтобы составить представление о выполненном или предполагаемом измерении, необходимо знать его основные характеристики: принцип измерения, метод измерения и погрешность измерения.
Принцип измерения – совокупность физических явлений, на которых основано измерение.
Метод измерения – совокупность приёмов использования принципов и средств измерений.
Погрешность (или ошибка) измерения – отклонение результаты измерения Y от истинного значения Yu измеряемой величины:
±∆ = Y – Yu. (1.5)
Погрешность, определяемая формулой (1.5), выражается в единицах измеряемой величины и называется абсолютной погрешностью.
Относительная погрешность измерения – отношение абсолютной погрешности измерения к истинному значению измеряемой величины:
±δ = ∆/Yu. (1.6)
Точность измерения – качество измерения, отражающее близость его результата к истинному значению измеряемой величины. Количественно точность может быть выражена величиной, обратной относительной погрешности, взятой по модулю:
ε = | Yu/∆ |. (1.7)
При определении абсолютной и относительной погрешности, а также точности измерения, вместо истинного значения ФВ Yu реально может быть использовано ее действительное значение YД.
Классификация измерений
Измерения классифицируются по нескольким признакам, наиболее важные из которых представлены в виде схемы на рис. 1.2.
По первому признаку измерения подразделяются на статические, при которых измеряемая величина (ИВ) остаётся постоянной во времени в процессе измерения, и динамические, при которых ИВ изменяется в процессе измерения.
Классификация по второму признаку является в большей степени условной, однако широко применяется в измерительной технике.
По третьему признаку измерения подразделяются на 3 класса:
Измерения максимально возможной точности, достижимой при современном уровне техники. Это измерения, связанные с созданием и воспроизведением эталонов.
Контрольно–поверочные измерения, погрешности которых не должны превышать заданного значения. Такие измерения осуществляются в основном государственными и ведомственными метрологическими службами и ремонтными организациями.
Технические измерения, в которых погрешность результата определяется метрологическими характеристиками средств измерения. Технические измерения являются наиболее распространёнными и выполняются во всех отраслях хозяйства и науки. К ним, в частности, относятся и теплотехнические измерения.
С четвёртым признаком всё ясно.
Под наблюдением понимают экспериментальную операцию, выполняемую в процессе измерения, в результате которой получают одно
значение из серии значений величин, подлежащих совместной обработке для получения результата измерений.
По пятому признаку измерения подразделяются в зависимости от
значение из серии значений величин, подлежащих совместной обработке для получения результата измерений.
По пятому признаку измерения подразделяются в зависимости от вида уравнения измерения, что и определяет способ получения результата.
Прямыми называют измерения, при которых искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных (по показаниям ИП). Математически прямое измерение описывается уравнением (1.2).
Примером прямых измерений может служить: измерение длины линейкой, масса весами, температура термометром, давление – манометром.
Косвенными называют измерения, при которых искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, измеренными прямым методом.
(x1,x2,x3,…xn, 
), (1.8)
где Y – искомая, косвенно измеренная величина;
x1, x2, x3, … xn – величины, измеренные прямым методом;
– время.
Примером косвенных измерений может служить измерение расхода методом переменного перепада давления, электрического сопротивления по падению напряжения и силе тока и т.п.
Совокупными называют производимые одновременно измерения нескольких одноимённых величин, при которых искомые значения величины находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин или ряда других величин, функционально связанных с измеряемыми.
Совместными называют проводимые одновременно измерения двух или нескольких разноимённых величин для нахождения зависимости между ними. Примером совместных измерений может служить измерение тепловой энергии по температуре, давлению и расходу теплоносителя, определение удельного электрического сопротивления проводника по его сопротивлению, длине и площади поперечного сечения.
