Основы метрологии и измерительной техники. Учебное пособие.

Приведены основные понятия метрологии, рассмотрены методы и средства измерительной техники, а также особенности измерений различных электрических и неэлектрических величин.

Дано описание терминов и обозначений. Приведена теория погрешностей измерений. Включены вопросы измерения и описания приборов при измерении основных технологических процессов.

Представлены основные положения теории измерений, необходимые сведения по оптимальному выбору средств измерения и контроля.

Учебное пособие составлено в соответствии с образовательными стандартами 250300 «Технология и оборудование лесозаготовительных и деревообрабатывающих производстве и 220300 «Автоматизированные технологии и производства».

Предназначено для студентов специальности 220300, специализирующихся в области автоматизации производственных процессов.

Санников С. П., Машков В. М.
Основы метрологии и измерительной техники. Учебное пособие. — Екатеринбург: Урал. гос. лесотехн. ун-т, 2008. — 186 с.

ВВЕДЕНИЕ:

В научном аспекте — значение измерений заключается в том, что они осуществляют связь теории и практики и обеспечивают сопоставимость результатов при научных экспериментах. Во всех отраслях науки необходима проверка аналитических закономерностей на практике путем экспериментальных исследований с участием измерительной техники. Никакие научные открытия невозможны без тщательно поставленных измерительных экспериментов. В свою очередь вновь открытые физические явления используются в измерительной технике для углубления наших знаний об окружающем мире.

Единство и достоверность измерений позволяют объективно сравнивать полученные результаты научных исследований, что чрезвычайно важно в условиях научно-технической революции.

Значение измерений в техническом аспекте определяется получением количественной и качественной измерительной информации о сложнейших технологических процессах современных производств, качестве выпускаемой продукции, эффективности, производительности, качестве технических систем, о параметрах микромира и космоса, об окружающей среде, климатических условиях и т. д. При этом измерительная информация может использоваться для оперативного контроля и управления вручную или автоматически с целью повышения производительности, достижения высокой эффективности или качества, улучшения условий труда и техники безопасности и для решения других задач. Ни одно современное промышленное производство невозможно представить без измерительной техники. Наоборот, по уровню оснащенности контрольно-измерительными приборами того или иного предприятия, отрасли можно судить не только о культуре производства, эффективности его функционирования, но и о прогрессе науки и техники, общем развитии в этой организации, отрасли промышленности.

Значение измерений в экономическом аспекте заключается в том, что возрастает ценность измерительной информации. Действительно, средства измерений становятся выгодной сферой вложения капитала, они приносят в 4—5 раз большую прибыль, чем средства, вложенные в основное производственное оборудование. Кроме того, существует пропорциональная зависимость между увеличением средств, потраченных на обеспечение отрасли измерительной техникой, и интенсивностью роста конкретной отрасли промышленности.

В период внедрения современного комплексного автоматического управления в лесной отрасли особо важное значение приобретает метрологическое и информационно-измерительное обеспечение и научных исследований. Метрология как наука о методах и средствах обеспечения единства измерений и способах достижения требуемой точности является теоретической и практической основой для постановки и производства технологических измерений. Метрология развивается как единая наука об основных понятиях измерений, единицах и шкалах физических величин, методах и средствах измерений, способах определения точности измерений, эталонах и образцовых средствах измерений, обеспечении единства измерений и единообразия средств измерений.

Законодательная метрология через систему стандартов повышает уровень измерительного дела, внедряет единство измерений в РФ на основе единства единиц, эталонов и мер; методик измерений и поверочных схем; испытаний, поверки и ревизии средств измерений; нормирования метрологических характеристик средств и систем измерений; унификации форм представления результатов измерений.

Для реализации технологических измерений с целью контроля производства или управления технологическими процессами, качеством выпускаемой продукций для расчета техноэкономических показателей работы производства и научного исследования материалов, процессов, аппаратов, машин необходима информационно-измерительная техника, иначе говоря, технические средства измерений. Средства измерений для технических и научных целей разрабатываются и производятся общим и отраслевым приборостроением, а эксплуатацией измерительной техники занимаются конкретные отрасли народного хозяйства. В такой интеграции и дифференциации измерительной техники заключаются определенные трудности. Общепромышленные средства измерения выпускаются без учета особенностей тех отраслей народного хозяйства, которые являются потребителями этих средств измерения, а узкоотраслевое приборостроение, как правило, являясь мелкосерийным, не может обеспечить новейшую технологическую и элементную базу производства современных средств измерения. В связи с этим важное значение приобретает информационно-измерительное обеспечение современных технологических производств с помощью служб контрольно-измерительных приборов и автоматики на предприятиях, поэтому подготовка специалистов в этом направлении крайне необходима.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ МЕТРОЛОГИИ

Метрология — наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Объектами измерений являются свойства объективных реальностей (тел, веществ, явлений, процессов). Свойство — это выражение какой-либо стороны вещи или явления. Каждая вещь обладает множеством свойств, в которых проявляется ее качество. Одни свойства существенны, другие не существенны Изменение существенных свойств равнозначно изменению качественного состояния вещи или явления.

Под измерением в общем случае следует понимать процедуру количественной оценки рассматриваемого свойства. Ее осуществление оказывается возможным, если удается сформировать шкалу рассматриваемого свойства с учетом логических отношений, существующих между элементами множества различных проявлений свойства в конкретных объектах, т е. системы с отношениями. Для построения такой системы с отношениями используется модель объекта измерений, достаточно адекватно описывающая рассматриваемый объект. Имеются в виду отношения типа: «эквивалентность» (равенство), «больше», «меньше», «сумма». При отображении системы с отношениями, характеризующей рассматриваемое свойство на числовую систему с отношениями получается шкала этого свойства. В теории измерений принято, в основном, различать пять типов шкал:

• шкалы наименований характеризуются только отношением эквивалентности. Примером такой шкалы является распространенная классификация (оценка) цвета по наименованиям (атласы цветов);
• шкалы порядка соответствуют свойствам, для которых имеют смысл не только отношение эквивалентности, но и отношение порядка (по возрастанию или уменьшению количественного проявления свойства). Характерные примеры шкал порядка — существующие шкалы твердости тел;
• шкала разностей отличается от шкалы порядка тем, что имеет смысл отношения эквивалентности, порядка и суммирования интервалов (разностей) между различными количественными проявлениями свойства. Характерный пример — шкала интервалов времени, так как интервалы времени можно суммировать (вычитать), но складывать, например, даты каких-либо событий не имеет смысла;
• шкалы отношений описывают свойства, к множеству самих количественных проявлений которых применимы отношения эквивалентности, порядка и суммирования, а, следовательно, вычитания и умножения. В шкале отношений существует также естественный критерий нулевого количественного проявления свойства. Наглядный пример шкал отношений — шкалы длин;
• абсолютные шкалы обладают всеми признаками шкал отношений, но дополнительно в них существует естественное однозначное определение единицы измерения. Такие шкалы соответствуют относительным величинам (отношениям одноименных физических величин, описываемых шкалами отношений). К таким величинам относятся коэффициент усиления, добротность колебательной системы, ослабление и т. п. Среди абсолютных шкал выделяются ограниченные абсолютные шкалы, значения которых находятся в пределах от 0 до 1. Соответствующими величинами являются коэффициенты полезного действия, отражения, амплитудной модуляции и т. п.

Большинство свойств, которые рассматривают в практической метрологии, описывается одномерными шкалами. Однако имеются свойства, природа которых такова, что их можно описать только многомерными шкалами. Известный пример — трехмерные шкалы цвета в колориметрии.

Практическая реализация шкал конкретных свойств достигается путем стандартизации единиц измерений, шкал и (или) способов условий однозначного их воспроизведения. Понятие неизменной для любых точек шкалы единицы измерений имеет смысл только для шкал отношений и разностей (интервалов). В шкалах порядка имеет смысл говорить только о числах, приписанных конкретным проявлениям свойства (суждения о том, что такие числа отличаются в такое-то число раз или на столько-то процентов, бессмысленны). Но для шкал отношений и разностей в некоторых случаях оказывается недостаточным установление только единиц измерений. Так, даже для таких величин как время, температура, сила света (и другие световые величины), которым в Международной системе единиц (81) соответствуют основные единицы: секунда, кельвин и кандела. Практические системы измерений опираются также на специальные шкалы. Кроме того, сами единицы 81 в ряде случаев опираются на фундаментальные физические константы. В следующих разделах представлены сведения по метрологии, относящиеся к наиболее распространенным физическим величинам.

Однако по мере развития метрологии наблюдается тенденция рассматривать в качестве объектов измерений все новые и не только физические свойства и соответствующие им нефизические величины. Так, например, происходит формирование метрологического подхода к изучению и описанию свойств биологических, психологических, социальных, экономических систем, создаются новые и совершенствуются уже известные шкалы.

Законодательная метрология — это раздел метрологии, включающий комплексы взаимоувязанных и взаимообусловленных общих правил и норм, а также другие вопросы, нуждающиеся в регламентации и контроле со стороны государства, направленные на обеспечение единства измерений и единообразие средств измерения. К ключевым понятиям законодательной метрологии относятся закон об измерениях (ранее закон о мерах и весах); методики выполнения измерений (МВИ); метрологическая аттестация средств измерений (МА); поверка средств измерений; испытания средств измерений; метрологический надзор (надзор за соблюдением метрологических правил и норм); сертификация средств измерений.