Основи метрології

ПАРАМЕТРІВ

АВТОМАТИЗОВАНИЙ КОНТРОЛЬ ТЕХНОЛОГІЧНИХ

Вимірювання в житті людини набули особливого значення. Вони - один із шляхів пізнання природи, що дають як якісні, так і кількісні характеристики навколишнього світу, явищ і розкривають людині діючі в природі закономірності.

В усіх вимірюваннях, незалежно від вимірюваної величини, методу і засобів вимірювання, є загальне, що складає основу вимірювання - порівняння практичним шляхом вимірюваної величини з іншою, подібною до неї, яка прийнята за одиницю. При будь-якому вимірюванні за допомогою експерименту фізичну величину визначають у вигляді деякого прийнятого для неї числа одиниць.

Галузь науки, яка вивчає вимірювання, називається метрологією. Слово "метрологія" утворено з двох грецьких слів: метрон - міра і логос - наука. Дослівний переклад слова метрологія - наука про міри. Довгий час метрологія залишалася описовою наукою про міри та співвідношення між ними. Проте, з розвитком науки і техніки постала вимога забезпечення єдності і точності вимірювань.

Метрологія - в її сьогоднішньому розумінні - наука про вимірювання, методи і засоби забезпечення їх єдності і способи досягнення необхідної точності.

Єдність вимірювань - такий стан вимірювань, при якому їх результати виражені в узаконених одиницях і похибки вимірювань відомі із заданою ймовірністю. Єдність вимірювань необхідна для того, щоб можна було порівняти результати вимірювань при проведені їх в різних місцях, у різний час, різними методаміп_засобами вимірювань. Точність вимірювань характеризується близькістю їх результатів до істинного значення вимірюваної величини.

Таким чином, головним завданням метрології є забезпечення єдності і необхідної точності вимірювань. В більшості держав світу заходи щодо забезпечення цього завдання установлені законодавством.

Вимірювання є важливим поняттям в метрології. Це організована дія людини, при якій пізнаються кількісні властивості фізичного об'єкта шляхом визначення певних фізичних величин.

Вимірюванням називається визначення значення фізичної величини дослідним шляхом за допомогою спеціальних технічних засобів. Воно полягає у порівнянні її з іншою однорідною величиною, умовно прийнятою за одиницю вимірювання. Отже, результат вимірювання q показує числове співвідношення між вимірюваною величиною Q і

одиницею вимірювання U:

Q = q*U (2.1)

Рівняння 2.1 є основним рівнянням вимірювання, права частина якого називається результатом вимірювання у відповідних одиницях вимірюваної фізичної величини.

Фізична величина - властивість, спільна в якісному відношенні у багатьох фізичних об'єктів, але в кількісному відношенні -індивідуальна. Так, температура, тиск, рівень як фізичні величини в якісному відношенні спільні, проте в кількісному - різні, наприклад, температура та тиск для різних корпусів випарної установки різні.

Існує багато різновидів вимірювань фізичних величин. Проте найбільш поширена класифікація за характером зміни вимірюваної величини, точністю та способом одержання результатів вимірювання.

За характером зміни вимірюваної величини в часі вимірювання діляться на статичні та динамічні.

Статичні вимірювання за певний проміжок часу (рис. 2.1) майже не змінюються, характеризують стаціонарність в об'єкті, а результати вимірювань використовують для встановлення взаємозв'язків між різними фізичними величинами. Динамічні вимірювання показують зміну вимірюваної величини в часі під впливом певних збурень на об'єкт. Вони дають змогу вивчити динамічні властивості об'єкта, його інерційність, а також динамічні властивості самого засобу вимірювання і його складових елементів. На рис. 2.2 наведена динамічна характеристика вимірюваної величини Хд, яка змінюється під впливом збурення. Не дивлячись на зміну вимірюваної величини на вході приладу, на виході Хд почне змінюватися через певний проміжок часу (час початку реагування) і досягне своєї величини 0,95 через проміжок часу Тп, а повного значення - через Тпп.

Час перехідного процесу Тп - час від початку зміни вимірюваної величини на вході приладу до досягнення нею 95% свого максимального значення.

Постійна часу Т - час, на протязі якого значення вимірюваної величини досягне 0,632 від сталого її значення.

Повний час встановлення показів Тпп - час від початку зміни вимірюваної величини до досягнення нею свого постійного значення.

За точністю вимірювання діляться на технічні, контрольно -повірочні та еталонні (максимально можливої Точності).Технічні вимірювання виконують у виробничих умовах, вони мають порівняно низьку точність вимірювання, яка визначається класом точності засобів вимірювання, але повністю влаштовують виробництво.

Контрольно - повірочні вимірювання значно вищі за Точністю, їх виконують зразковими приладами в лабораторіях державного нагляду та в заводських вимірювальних лабораторіях. їх мета - перевірка технічних засобів вимірювання.

Вимірювання з максимально можливою точністю (еталонні) пов'язані з відтворенням установлених одиниць фізичних величин або ж фізичних констант.

За способом одержання результатів вимірювання діляться на прямі, опосередковані, сукупні та сумісні.

Рис. 2.1. Статичні вимірювання Рис. 2.2. Динамічні вимірювання

Прямі - це вимірювання, при яких шукана вимірювана величина знаходиться безпосередньо з експериментальних даних. Наприклад, вимірювання довжини метром, тиску - манометром, температури - термометром.

Опосередковані - вимірювання, при яких шукана величина визначається за допомогою відомих залежностей між нею і величинами, які визначаються прямими вимірюваннями. Наприклад, визначення густини тіла при прямих вимірюваннях маси і об'єму (p = m/v); об'єму резервуара - за прямими вимірюваннями висоти і площі основи резервуара (v = h * s).

Сукупні - такі вимірювання, коли одночасно проводять прямі вимірювання декількох однойменних величин, а шукану величину знаходять розв'язанням системи рівнянь. Наприклад, визначення коефіцієнта лінійного розширення.

Сумісні - такі вимірювання, коли одночасно вимірюють кілька неоднорідних величин для встановлення залежності між ними. Наприклад, залежність ТЕРС термопари від температури (Е =/(t)).

Методи вимірювання - це загальні способи використання принципів і засобів вимірювання при вимірюванні різних фізичних

величин.

Принцип вимірювання - фізичне явище або ж їх сукупність,які покладено в основу вимірювання. Наприклад, вимірювання температури за допомогою термоелектричного ефекту чи зміни опору електричного термометра, вимірювання тиску за допомогою пружних

деформацій тощо.

Засоби вимірювання - технічні засоби, які мають нормовані метрологічні характеристики і проградуйовані в одиницях вимірюваних

величин.

Найширше використання одержали такі прямі методи вимірювання: безпосередньої оцінки, порівняння з мірою, протиставлення, нульовий (компенсаційний), диференційний, заміщення та ін.

Найпростішим є метод безпосередньої оцінки, який полягає в тому що визначення вимірюваної величини проводиться по відліковому пристрою (шкалі) вимірювального приладу прямої дії. Наприклад зважування на циферблатних вагах, вимірювання тиску манометром.

Нульовий (компенсаційний) метод полягає в тому, що на вимірювальни прилад одночасно подається вимірювана величина і зрівноважуюча однорідна величина, а результуючий ефект доводиться до нуля. Цей мето використовується в автоматичних потенціометрах та мостах, дає висок точність вимірювання і не залежить від зовнішніх умов.

Диференційний метод полягає в тому, що на вимірювальний прилад подається безпосередньо різниця вимірюваної величини і величин

відтвореної мірою. Метод використовується в тих випадках, коли просто і точно реалізується операція віднімання величин, наприклад, тисків.

Міжнародна система одиниць (СІ). Наявність великої кількості систем одиниць фізичних величин, а також значної кількості позасистемних одиниць призводить до значних незручностей при переході від одної системи одиниць до іншої. Тому виникла потреба найшвидшої уніфікації одиниць вимірювання, тобто створення єдиної системи одиниць фізичних величин, яка була б зручною для практичних вимірювань, охоплювала б різні ділянки вимірювання і зберігала б принцип когерентності.

В 1954 році X Генеральна конференція з мір і ваги затвердила шість основних одиниць (метр, кілограм, секунда, ампер, кельвін і свічка) практичної системи одиниць для міжнародних відносин. Вони повинні були охопити всі галузі науки і техніки, скласти основу для утворення похідних одиниць, бути зручними для практичних вимірювань і відтворюватися за допомогою установок та еталонів з найбільшою точністю. На цей час членами Метричної конвенції стали біля 40 найбільш розвинутих держав. Одночасно Міжнародний комітет мір і ваги утворив комісію для розробки єдиної міжнародної системи одиниць. Система одержала назву Міжнародної системи одиниць, скорочено СІ (SI - початкові букви від французької назви Systeme International).

В 1971 році XIV Генеральна конференція з мір і ваги прийняла сьому основну одиницю СІ - одиницю кількості речовини - моль.

Основні та додаткові одиниці СІ зі скороченими позначеннями українськими та латинськими літерами наведені у табл. 2.1.

Таблиця 2.1 Основні одиниці СІ

Величини	Одиниці	Скорочені позначення одиниць
Україн ські	латинські
Довжина	Метр	м	m
Маса	кілограм	кг	kg
Час	Секунда	с	s
Сила електричного струму	Ампер	А	А
Термодинамічна температура	Кельвін	К	К
Сила світла	Кандела	кд	kd
Кількість речовини	Моль	моль	mol

Похибки вимірювання фізичних величин. При вимірюванні фізичної величини треба чітко розмежовувати два поняття: істинне значення фізичної величини та її емпіричний прояв - результат вимірювання.

Істинне значення фізичної величини - це значення, яке ідеальним чином відображає властивості об'єкта як в кількісному, так і в якісному відношеннях. Істинні значення не залежать від засобів нашого пізнання і являють собою ту абсолютну істину, до якої наближається спостерігач, намагаючись виразити їх у вигляді числового значення.

Результат вимірювання є продуктом пізнання спостерігачем об'єкта і являє собою приблизну оцінку значення вимірюваної величини. Результати залежать від методів вимірювання, технічних засобів, властивостей органів чуття спостерігача та самих фізичних величин.

Різниця ∆ між результатом вимірювання X та істинним значенням вимірюваної величини називається абсолютною похибкою вимірювання:

∆=X'-Q (2.2)

Проте, оскільки істинне значення Q вимірюваної фізичної величини невідоме, то невідома й похибка вимірювання, тому для одержання хоча б приблизних відомостей про неї у формулу (2.2) замість істинного значення підставляється так зване дійсне значення. Під дійсним значенням фізичної величини слід розуміти її значення, знайдене експериментально і настільки наближене до істинного, що для даної мети воно може використовуватися замість нього. За дійсні беруть значення, розраховані за формулами, одержані за показами еталонів, зразкових приладів і більш точних технічних засобів вимірювання.

Причинами виникнення похибок можуть бути: недосконалість методів вимірювання, технічних засобів і органів чуття спостерігача, зміна умов проведення експерименту та зовнішнього середовища. Так, зміна умов впливає на фізичну величину, на технічні засоби і на спостерігача.

Кожна з наведених причин виникнення похибок є джерелом численних чинників, під впливом яких формується загальна похибка вимірювання. їх можна об'єднати у дві великі групи:

1. Чинники, які з'являються нерегулярно і несподівано зникають або проявляються з непередбачуваною інтенсивністю. Це: перекоси елементів приладів у їх напрямних, нерегулярні зміни моментів в опорах, зміна зовнішніх умов і середовища, зміна уваги спостерігача тощо.

Доля сумарної похибки, яка виникає під впливом цих чинників, називається випадковою похибкою вимірювання. Проте, деякі з них настільки сильно проявляються, наприклад, зміна напруги в мережі електроживлення, що похибка виходить за допустимі межі. Такі похибки в складі випадкових похибок називаються грубими. До них належать і промахи - похибки, які залежать від спостерігача, його стану, відрахунку по шкалі та запису результатів вимірювань.

2. Чинники, які постійні або закономірно змінюються в процесі вимірювань фізичної величини. До них відносять методичні похибки, зміщення стрілки приладу та недосконалість елементів засобу вимірювання. Складові сумарної похибки, які з'являються під дією цих чинників, називаються систематичними похибками вимірювань. їх особливість полягає в тому, що вони або постійні по величині, або ж закономірно змінюються при повторних вимірюваннях однієї і тієї ж величини.

Таким чином, в процесі вимірювання фізичної величини під дією різних чинників проявляються як випадкові δ, так і систематичні Ө похибки вимірювань:

∆ = δ + Ө (2.3)

Для одержання точних результатів вимірювань, які б мінімально відрізнялись від істинного значення, необхідно провести численні вимірювання з подальнюю математичною обробкою експе­риментальних даних.

Систематичні похибки Ө, як правило, визначають і виключають з результатів вимірювання й одержують відкореговані результати вимірювань X. Випадкова похибка при цьому дорівнює різниці між відкорегованим результатом вимірювання та істинним значенням вимірюваної величини:

δ = X – Q (2.4)

При виключенні систематичної похибки результат вимірювання складається з відкоригованого значення вимірюваної величини і випадкової похибки, а сам результат стає випадковою величиною.

Дата добавления: 2014-01-07