Teoriya (1)

за способом одержання числового значення вимірюваної величини — прямі; непрямі; сумісні; сукупні:

1)При прямому вимірюванні результат одержують безпосередньо за експериментальними даними (вимірювання довжини лінійкою, вимірювання температури термометром, вимірювання тиску манометром). Вони є найпоширенішими.

2)При непрямому вимірюванні числове значення величини відшукують не безпосередньо, а на основі вимірювання інших величин, пов'язаних з вимірюваною величиною відомою математичною залежністю (визначення об'єму рідини у циліндричній посудині за висотою рідини в ній та

площею дна ; густини рідини за масою і її об'ємом — ).

3)При сумісних вимірюваннях одночасно вимірюють дві або більше різнойменних величин для виявлення залежностей між ними. Переважно, результати таких вимірювань використовують у наукових дослідженнях.

4)При сукупних вимірюваннях числове значення вимірюваної величини визначається розв'я- зком системи рівнянь, одержаних шляхом сукупних прямих вимірювань однієї або декількох однойменних величин (наприклад, визначення коефіцієнта лінійного теплового розширення).

Методи вимірювань. З метою забезпечення точності вимірювань фізичних величин у метрології розроблені способи використання принципів і засобів вимірювальної техніки, дотримання яких дозволяє уникнути при отриманні результатів вимірювань низки систематичних і випадкових похибок.

Принцип вимірювання — фізичне явище або сукупність фізичних явищ, які покладені в основу вимірювання певної фізичної величини речовини манометричного термометра та ін.

Метод вимірювання — сукупність способів використання засобів вимірювальної техніки та принципів вимірювань для створення вимірювальної інформації.

У виробництві та повсякденному житті у процесі вимірювань переважно застосовують прямі методи, що забезпечують визначення шуканої величини безпосередньо за експериментальними даними. До прямих методів вимірювання відносяться (перелік не є вичерпним):

Метод безпосередньої оцінки — вимірювана величина зчитується безпосередньо з шкали, табло чи екрану показувального пристрою вимірювального приладу (наприклад, вимірювання зусилля пружинним динамометром, визначення маси зважуванням на циферблатній вазі, вимірювання електричного струму амперметром). Вимірювання цим методом не є складним, проте точність невисока, але простота методу, швидкість процесу вимірювання визначив його широке застосування на практиці.

Метод порівняння з мірою полягає в тому, що вимірювана величина порівнюється з вели-

чиною, що відтворена мірою (міра — це засіб вимірювань, що реалізує відтворення та (або) збереження фізичної величини заданого значення[10]). Точність методу порівняння значно вища за точність методу безпосередньої оцінки, але складність застосовування приладів і самого процесу вимірювання інколи обмежує його застосування. Цей метод за технічними особливостями може бути реалізований як:

o Метод зіставлення — це метод порівняння з мірою, коли вимірювана і відтворена

мірою величини одночасно діють на пристрій порівняння. Значення шуканої величини визначається після досягнення рівноваги (наприклад, визначення маси на вазі важільного типу, як суми мас гир, що її зрівноважують).

o Нульовий (компенсаційний) метод полягає у порівнянні величини з мірою, а результат впливу величин на прилад зводиться до нуля. Цей метод використовується в автоматичних вимірювальних приладах: вимірювальних мостах, потенціометрах, аналізаторах рідин та газів та ін.

o Диференціальний (різницевий) метод полягає у визначенні вимірювальним приладом різниці між вимірювальною величиною та відомої (відтвореної) величини (наприклад, вимірювання надлишкового тиску диференційним манометром). Точність диференціального методу зростає зі зменшенням різниці між порівнюваними величинами.

o Метод одного збігу (ноніусний) полягає у тому, що збігання між вимірюваною величиною і величиною відтвореною мірою визначається за збігом міток шкал або періодичних сигналів. Цей метод використовують при вимірюванні точних сигналів часу, частоти обертання з використанням стробоскопа, розмірів штангенциркулем тощо.

o Метод подвійного збігу (метод коінциденції) полягає в одноразовому порівнянні n

зістикованих вимірюваних величин X одного і того самого розміру із зразковою величиною Х0, що відтворюється багатозначною нерегульованою мірою зі ступенем Х0. Результат вимірювання визначається за формулою

.

Метод заміщення — це метод порівняння, в якому вимірювана величина X заміщується величиною Х0, що відтворюється регульованою мірою. Точність методу заміщення залежить тільки від похибки міри і практично не залежить від систематичної похибки вимірювального приладу, що є суттєвою перевагою методу заміщення. Метод використовується у засобах вимірювальної техніки високої точності, в тому числі в еталонах.

10.Планування та організація вимірювань.

До початку вимірювального експерименту необхідно вирішити ряд питань підготовки, планування і організації вимірів основними з яких є: мета і завдання вимірів, наявність інформації про об'єкт (попередні виміри, діапазон та ін.), модель об'єкта і фізичні величини, вимірювальні параметри, умови вимірювання і величини, які впливають на хід роботи, похибки вимірів, методики вимірів та ін.

Основні поняття вимірювань:

Вимірювання - це знаходження фізичної величини експериментальним шляхом за допомогою спеціальних технічних засобів.

Вимірювальні припади - не засоби вимірювань, призначені з метою вироблення сигналу вимірюваної інформації у формі, що доступна для безпосереднього сприйняття спостерігачем.

Засіб вимірювальної техніки - технічний засіб, який застосовуєть-ся під час вимірювання і має нормовані метрологічні характеристики.

Засоби вимірювань - це технічні засоби, що використовуються при вимірюваннях і які мають нормовані метрологічні характеристики.

Метод вимірювань - сукупність прийомів використання принципів і засобів вимірювань (метод заміщень, метод збіжності, метод порів-няння з мірою, нульовий метод та ін.).

Методика виконання вимірів — сукупність операцій і правил, виконання яких забезпечує одержання результатів вимірів з відомою погрішністю.

Міри - це засоби вимірів у вигляді тіла або влаштування, яке призначене для відтворення величини одного або декількох розмірів, значення яких відомі з необхідною для вимірів точністю.

Результат вимірювання - значення фізичної величини, знайдене шляхом її вимірювання. Характеристики результату вимірювання (його якості). Якість вимірів характеризується точ-

ністю, достовірністю, правильністю, збіжністю, розміром похибок вимірів

2. Забезпечення єдності та потрібної точності вимірювань

1Єдність вимірювань та метрологічне забезпечення.

Єдність́ вимірювань́ — стан вимірювань, за якого їх результати виражаються в узаконених одиницях вимірювань, а характеристики похибок або невизначеності вимірювань відомі та із заданою ймовірністю не виходять за встановлені границі.

Метрологічне забезпечення єдності вимірювань Вирішення важливих науково-технічних та народногосподарських завдань з випуску якісної продукції значною мірою залежить від єдності та достовірності вимірювань у державі. Одним із головних завдань державної метрологічної служби є забезпечення єдності й точності вимірювань, підтримання одноманітності засобів вимірювальної техніки. Під єдністю вимірювань слід розуміти такий стан вимірювальної справи, при якій результати вимірювань виражаються у законодавчо визначених одиницях і їх точність забезпечується з гарантованою достовірністю. Незалежно від методів, засобів вимірювання, часу і місця проведення результати вимірювань повинні бути однаковими.

Засоби вимірювань мають бути своєчасно відремонтовані, повірені у метрологічних установах і мати належне обслуговування. Крім того, на точність вимірювань значною мірою впливають методи вимірювань, зовнішні чинники, фізіологічний стан спостерігача та багато інших факторів. При використанні сучасних складних методів вимірювання засоби вимірювань не завжди визначають сумарну похибку вимірювань, оскільки на похибку більше впливають недосконалість методу вимірювання, помилки експериментатора та зміна умов проведення вимірювання. Тому важливо забезпечити одноманітність засобів вимірювань, єдність вимірювань, умови проведення експерименту, а також чітко визначити мету та послідовність опрацювання результатів експерименту за допомогою ЕОМ.

Науковою основою метрологічного забезпечення є метрологія — наука про вимірювання, про методи та засоби забезпечення єдності вимірювань і способи досягнення потрібної точності. Технічними основами метрологічного забезпечення є: система державних одиниць фізичних величин, система передачі розмірів одиниць фізичних величин від еталонів усім засобам вимірювань, система розробки, постановки на виробництво і випуску в обіг робочих засобів вимірювань необхідної точності для промисловості, система обов'язкових державних і відомчих повірок або метрологічної атестації засобів вимірювань, система стандартних зразків складу та властивостей речовин і матеріалів, система стандартних довідкових даних про фізичні константи та властивості речовин і матеріалів тощо.

Нормативною основою метрологічного забезпечення є державні стандарти та інші документи державної системи забезпечення єдності вимірювань (ДСВ), відповідні нормативні документи Держстандарту України, методичні вказівки і рекомендації, які регламентують єдину номенклатуру, способи подання та оцінювання метрологічних характеристик, правила стандартизації й атестації засобів вимірювальної техніки (ЗВТ), вимоги до проведення державних випробувань, перевірки, ревізії та експертизи ЗВТ.

Технічною основою метрологічного забезпечення є:

•система державних еталонів одиниць фізичних величин, яка забезпечує їх відтворення з найвищою точністю;

•система робочих еталонів і зразкових ЗВТ, за допомогою яких здійснюється передача розмірів одиниць фізичних величин робочим ЗВТ;

•система стандартних зразків складу та властивостей речовин та матеріалів, що забезпечує відтворення одиниць фізичних величин, які характеризують склад і властивості речовин і матеріалів;

•система робочих ЗВТ, які використовуються під час розроблення, виробництва, випробувань та експлуатації продукції, наукових досліджень та інших видів діяльності.

•випробувань та метрологічної атестації ЗВТ;

•номенклатуру нормованих метрологічних характеристик ЗВТ;

•норми точності вимірювань;

•способи вираження та форми подання результатів та характеристики точності вимірювань;

•методики виконання вимірювань;

•методики оцінки вірогідності та форми подання даних про властивості речовин та матеріалів, вимоги до проведення експертизи, а також атестації цих даних;

•вимоги до стандартних зразків складу та властивостей речовин і матеріалів, до стандартних довідкових даних;

•організацію і порядок проведення сертифікації, державних випробувань, метрологічної перевірки, калібрування та метрологічної атестації ЗВТ;

•порядок проведення метрологічної експертизи нормативної, проектної, конструкторської, технологічної і програмної документації;

•терміни та визначення в галузі метрології;

•порядок та форми здійснення державного метрологічного нагляду;

•порядок здійснення акредитації метрологічних служб, вимірювальних, випробувальних, аналітичних та інших лабораторій на право проведення метрологічних робіт;

•порядок одержання суб`єктами підприємницької діяльності дозволів (ліцензій) на право виготовлення, метрологічної перевірки, калібрування, ремонту, імпорту ( ввезення ), прокату і продажу ЗВТ.

2Нормування метрологічних характеристик.

Під нормуванням розуміється встановлення меж на допустимі відхилення реальних метрологічних характеристик засобів вимірювань від їх номінальних значень. Лише за допомогою нормування метрологічних характеристик можна добитися їх взаємозамінності і забезпечити єдність вимірювань у державі. Реальні значення метрологічних характеристик визначають при виготовленні засобів вимірювань і потім перевіряють періодично під час експлуатації. Якщо при цьому хоча б одна з метрологічних характеристик виходить за встановлені межі, то такий засіб вимірювань або піддають регулюванню, або вилучають з обігу.

Норми на значення метрологічних характеристик встановлюються стандартами на окремі види засобів вимірювання. При цьому робиться відмінність між нормальними і робочими умовами застосування засобів вимірювання.

Нормальними вважаються такі умови застосування засобів вимірювань, при яких впливають на процес вимірювання величини (температура, вологість, частота, напруга живлення, зовнішні магнітні поля і т.д.), а також неінформативні параметри вхідних і вихідних сигналів знаходяться в нормальній для даних засобів вимірювань області значень, тобто в такій області, де їх впливом на метрологічні характеристики можна знехтувати. Нормальні області значень впливають величин вказуються в стандартах або технічних умовах на засоби вимірювань даного виду у формі номіналів з нормованими відхиленнями, наприклад, температура повинна становити 20 ± 2 ° С, напруга живлення - 220 В ± 10% або у формі інтервалів значень (вологість 30

- 80%).

Робоча область значень впливають величин ширше нормальної області значень. У її межах метрологічні характеристики істотно залежать від впливають величин, проте їх зміни нормуються стандартами на засоби вимірювань у формі функцій впливу або найбільших допустимих змін. За межами робочої області метрологічні характеристики беруть невизначені значення.

Для нормальних умов експлуатації засобів вимірювань повинні нормуватися характеристики сумарної похибки та її систематичної і випадкової складових. Сумарна похибка засобів вимірювань в нормальних умовах експлуатації називається основною похибкою і нормується завданням межі допустимого значення, тобто того найбільшого значення, при якому засіб вимірювань ще може бути визнано придатним до застосування.

Перераховані вище метрологічні характеристики слід унормувати не тільки для нормальної, але і для всієї робочої області експлуатації засобів вимірювань, якщо їх коливання, викликані змінами зовнішніх впливають величин і неінформативних параметрів вхідного сигналу в межах робочої області, істотно менше номінальних значень. В іншому випадку ці характеристики нормуються тільки для нормальної області, а в робочій області нормуються додаткові похибки шляхом завдання функцій впливу або найбільших допустимих змін роздільно для кожного впливає чинника; у разі необхідності - і для спільної зміни декількох факторів. Функції впливу нормуються формулою, числом, таблицею або задаються у вигляді номінальної функції впливу і межі припустимих відхилень від неї.

Для використовуваних окремо засобів вимірювань, точність яких явно перевищує необхідну точність вимірювань, нормуються тільки межі допустимого значення сумарної похибки і найбільші допустимі зміни метрологічних характеристик. Якщо ж точність засобів вимірювань порівнянна з необхідною точністю вимірювань, то необхідно нормувати окремо характеристики систематичної і випадкової похибки і функції впливу. Тільки з їх допомогою можна знайти сумарну похибку в робочих умовах застосування засобів вимірювань.

Динамічні характеристики нормуються шляхом завдання номінального диференціального рівняння або передаточної, перехідною, імпульсної вагової функції. Одночасно нормуються найбільші допустимі відхилення динамічних характеристик від номінальних.

3Еталони одиниць фізичних величин.

Для забезпечення єдності вимірювань необхідна чітка тотожність одиниць, в яких були б проградуйовані усі засоби технічних вимірювань однієї й тієї самої фізичної величини. Це досягається шляхом точного відтворення та збереження прийнятих на Міжнародній конференції з мір і ваги одиниць фізичних величин і передачі їх розмірів засобам вимірювань.

Відтворення, збереження та передача розмірів одиниць проводиться за допомогою еталонів та зразкових засобів вимірювань. Вищою ланкою у метрологічному колі передачі розмірів одиниць вимірювання фізичних величин є еталони.

Еталон одиниці фізичної величини — це засіб вимірювальної техніки, який забезпечує відтворення та зберігання одиниці фізичної величини та передавання її розміру відповідним засобам, що стоять нижче за повірочною схемою, офіційно затверджений як еталон.

Всі основні одиниці фізичних величин відтворюються з найвищою точністю за допомогою міжнародних еталонів відповідних одиниць і зберігаються у Міжнародному бюро мір та ваги у спеціальних лабораторіях у м. Севра поблизу Парижа.

Міжнародні та національні еталони поділяються на первинні та вторинні еталони. Первинним називається еталон, за допомогою якого відтворюється одиниця фізичної величини з найвищою точністю відповідно у світі й державі. За точністю відтворення одиниці він є найточнішим. Первинні еталони одиниць основних фізичних величин відтворюють одиниці відповідно до їхнього визначення, прийнятого Міжнародною конференцією з мір та ваги. Наприклад, первинний еталон метра у довжинах світлових хвиль випромінювання криптону-86.

Для відтворення одиниць в особливих умовах, в яких пряма передача розміру одиниці від еталонів технічно неможлива із заданою точністю (високий тиск, температура, частота та ін.), розробляються та затверджуються спеціальні еталони.

Первинні та спеціальні еталони офіційно затверджуються для держави як первинні і називаються державними еталонами. Державні еталони затверджуються Держстандартом, і на кожний з них ухвалюється державний стандарт.

Державні еталони зберігаються у метрологічних інститутах або центрах держави, а для проведення робіт з ними призначаються відповідальні вчені, зберігачі еталонів.

Еталон-копія є вторинним еталоном, призначеним для зберігання одиниці та передачі її розміру робочим еталонам. Він не завжди може бути фізичною копією державного еталону.

Еталон передавання — вторинний еталон, який призначений для звіряння еталонів, котрі з тих чи інших причин не можуть безпосередньо звірятися один з одним. Прикладом еталону передавання може бути група нормальних елементів, яка використовується для звіряння державного еталона вольта з еталоном вольта Міжнародного бюро мір та ваги.

Еталон-свідок — вторинний еталон, призначений для повірки збереження державного еталона та для заміни його у разі псування або втрати. Еталон-свідок має найвищу серед вторинних еталонів точність та використовується лише тоді, коли державний еталон не можна відтворити.

Робочий еталон — вторинний еталон, призначений для збереження одиниці й передачі її розміру зразковим засобам вимірювальної техніки а в окремих випадках — робочим засобом вимірювальної техніки найвищої точності.

Поодинокий еталон складається з одного вимірювального засобу (міри, приладу), який забезпечує відтворення та збереження одиниці самостійно, без участі інших засобів вимірювання того самого типу. Прикладом поодинокого еталона є вторинний еталон одиниці маси — кілограм у вигляді платино-іридієвої та сталевої гирі.

Груповий еталон складається із сукупності однотипних засобів вимірювань, що використовуються як одне ціле для підвищення надійності збереження одиниці. Прикладом групового еталона є еталон-копія вольта у вигляді 20 нормальних елементів.

Вторинні еталони (робочі) використовуються у метрологічних інститутах, метрологічних територіальних органах Держстандарту України, а з дозволу Держстандарту України допускається їх зберігання та використання в органах відомчої метрологічної служби.

Еталон одиниці довжини — метр Еталон одиниці маси — кілограм Еталон одиниці часу — секунда

Еталон одиниці сили електричного струму — ампер Еталон одиниці температури — кельвін

Еталон одиниці сили світла — кандела

4Державний метрологічний нагляд. Умови і правила повірки засобів вимірювання.

Державний метрологічний контроль і нагляд здійснюються Державною метрологічною службою з метою перевірки додержання вимог Закону України ―Про метрологію і метрологічну діяльність‖та інших нормативно-правових актів України і нормативних документів із метрології.Об'єктами державного метрологічного контролю і нагляду є:

•засоби вимірювальної техніки(ЗВТ);

•методики виконання вимірювань;

•кількість фасованого товару в упаковках;

Державний метрологічний нагляд стосовно цих об'єктів поширюється на вимірювання, результати яких використовуються під час:

•робіт по забезпеченню охорони здоров'я;

•забезпеченню захисту життя та здоров'я громадян;

•контролю якості і безпеки продуктів харчування;

•контролю стану навколишнього природнього середовища;

•контролю безпеки умов праці;

•геодезичних і гідрометеорологічних робіт;

•торговельно-комерційних операцій і розрахунків між покупцем (споживачем) і продавцем (постачальником, виробником.виконавцем), у тому числі у сферах побутових і комунальних послуг, послуг елсктрота поштового зв'язку;

•податкових, банківських і митних операцій;

•обліку енергетичних і матеріальних ресурсів (електричної і теплової енергії, газу, води, нафтопродуктів тощо), за винятком внутрішнього обліку, який ведеться підприємствами, організаціями та громадянами — суб'єктами підприємницької діяльності;

•робіт, що виконуються за дорученням органів прокуратури та правосуддя;

•обов'язкової сертифікації продукції;

•реєстрації національних і міжнародних спортивних рекордів.

До державного метрологічного контролю належать:

•державна метрологічна атестація засобів вимірювальної техніки;

•метрологічна перевірка засобів вимірювальної техніки;

•акредитація на право проведення державних випробувань, метрологічної перевірки і калібрування засобів вимірювальної техніки,проведення вимірювань та атестації методик виконання вимірювань.

До державного метрологічного нагляду належать:

•державний метрологічний нагляд за забезпеченням єдності вимірювань;

•державний метрологічний нагляд за кількістю фасованого товару в упа-ковках.У центральних та місцевих органах виконавчої влади, органах місцевого самоврядування та в органах управління об'єднань підприємств проводиться перевірка додержання вимог Закону України ―Про метрологію і метрологічну діяльність‖, інших нормативно-правових актів України і нормативних документів із метрології.

На підприємствах, в організаціях і у громадян — суб єкгів підприємницької діяльності крім

того проводиться перевірка:

•стану і застосування засобів вимірювальної техніки;

•застосування атестованих методик виконання вимірювань і правильності виконання вимірювань;

•додержання умов проведення державних випробувань, метрологічної пере-вірки, калібрування, ввезення, випуску з виробництва, ремонту та у продаж і видачі напрокат засобів вимірювальної техніки, проведення вимірювань та атестації мето-дик виконання вимірювань.

Повірці не підлягають засоби вимірювальної техніки, що використовуються тільки для встановлення факту зміни значення фізичної величини без якісної оцінки цієї зміни. Вони можуть бути віднесені до індикаторів. На чільному їх боці наносять позначку "І" (індикатор).

Можуть не підлягати періодичній повірці засоби вимірювальної техніки, що використовуються для навчальних чи демонстраційних цілей. На них наносяться чіткі позначки "У" (учбовий).

Для інших цілей ці засоби не можуть бути використані. Контроль за їх справністю має здійснюватись у порядку, встановленому правилами експлуатації, і відповідати вимогам навчального процесу.

Всі інші засоби вимірювальної техніки підлягають повірці. Вид повірки залежить від того, якою метрологічною службою вона проводиться (державною чи відомчою), на якому етапі роботи засобів вимірювання це робиться (первинне, періодичне, позачергове), від характеру повірки (інспекційне, експертне). Організація і проведення повірки засобів вимірювання регламентується державним стандартом ДСТУ 2708—99.

Державну повірку проводять територіальні органи Держспоживстандарту. Державній повірці підлягають засоби вимірювання, що використовуються як вихідні зразкових при проведенні державних випробувань і метрологічної атестації, градуювання та повірки на підприємствах та організаціях і т. ін. Конкретна номенклатура робочих засобів вимірювання, які мають проходити обов´язкову державну повірку, регулярно переглядається і публікується Держспоживстандартом.

Відомчій повірці підлягають засоби контролю режимів технологічного процесу, якості матеріалів, напівфабрикатів, готових виробів; засоби вимірювання, що використовуються для проведення хімічного аналізу матеріалів і т. ін.

Первинна повірка проводиться під час випуску засобів вимірювання з виробництва і після ремонту.

Періодична повірка проводиться для всіх засобів вимірювання. Для цього метрологічною службою підприємства або організації складається річний план-графік проведення повірки засобів вимірювання, який затверджується керівником підприємства. При значній кількості засобів вимірювання замість річних планів-графіків складається календарний графік у вигляді переліку засобів вимірювання зі вказівкою періодичності та термінів їхнього звірення.

Позачергова повірка проводиться при експлуатації та зберіганні засобів вимірювання незалежно від термінів їхньої періодичної повірки. Вона проводиться за таких умов:

-встановлення засобів вимірювання, що є комплектуючими виробами, після того, як пройшла половина гарантійного терміну, якщо термін їхньої повірки настає раніше терміну повірки засобів вимірювання, в комплект яких вони входять;

-пошкодження повірочного клейма, пломби або втрати документів, що підтверджують проходження засобом вимірювання періодичної або первинної повірки;

-використання засобів вимірювання після довгого зберігання, упродовж якого вони не проходили періодичної повірки;

-необхідності переконатися у справності засобів вимірювання при проведенні вхідного контролю на підприємстві та поверненні на зберігання після експлуатації.

Експертна повірка проводиться органами державної метрологічної служби при метрологічній експертизі засобів вимірювання за вимогою суду, прокуратури, держарбітражу, а також окремих громадян, коли виникають спірні питання.

Інспекційна повірка проводиться при здійсненні на підприємствах і організаціях метрологічного нагляду або контролю за станом і використанням засобів вимірювання для встановлення факту їхньої справності, правильності результатів останньої повірки, відповідності прийнятих міжповірочних інтервалів умовам експлуатації.

Якщо результати повірки показали незадовільний стан засобів вимірювання, то повірочні клейма погашають, свідоцтва про повірку анулюють, а в паспортах чи інших документах, що їх заміняють, роблять запис про їх непридатність до використання.