ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Джения Д.В.

Практическая Метрология

Учебное пособие

Ростов-на-Дону

2009

Рецензенты:

к.т.н., доцент Цыбрий И.К.

к.т.н., доцент Земляков В.Л.

Джения Д.В. Практическая метрология:

Учебное пособие, – Ростов-на-Дону, 2009.

Учебное пособие «Практическая Метрология» написано для студентов, обучающихся в области техники и технологии, в том числе по приборостроительному направлению подготовки. Предметом дисциплины является изучение количественной информации о свойствах объектов и процессов, ее измерении с заданной точностью и достоверностью. Учебное пособие может быть использовано на аудиторных занятиях, при выполнении лабораторных и самостоятельных работ.

Содержание.

Введение 3

1. Шкалы измерений. Физическая величина.

Международная система единиц СИ 6

2. Классификация измерений 26

3. Классификация средств измерений 42

4. Классификация погрешностей измерений 63

5. Метрологические характеристики СИ 83

6. Порядок обработки результатов измерений 106

7. Поверка средств измерений 131

8. Правовые основы метрологии 136

9. Международное сотрудничество 149

10. Приложение 157

11. Литература 164

Введение

Необходимость объективной оценки измеряемых свойств объектов и явлений требует рационального и обоснованного идеологически решения проблем метрологии.

Этот вопрос не является специфическим только для метрологов. Обоснованный выбор подлежащих количественной оценке показателей и свойств, получение достоверной измерительной информации о состоянии исследуемых объектов и другие вопросы могут и должны представлять интерес для широкого круга не только технических специалистов, но и всех других, использующих результаты тех или иных измерений в процес-се познания окружающего мира.

Метрология прошла в своем развитии путь от «описания всякого рода мер по их наименованиям, подразделениям и взаимному соотношению» (Ф.И. Петрушевский, 1849 г.) до современного её определения как «науки об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности» — по новому отечественному термино-логическому документу.

Получение достоверных результатов измерений, пригодных для принятия тех или иных решений, во многом определяется единством измерений [1]. Единство измерений позволяет получать результаты измерений в установленных единицах с известной погрешностью. Погрешность - неизбежное зло, искажающее измерительную информацию.

Любая наука имеет свои цели, определяемые ее идеологией. Метроло-гия не является исключением. Если раньше - в 19 веке - она была, как отмечено выше, описательной наукой, то теперь - в 21 веке - она, по определению, превратилась в точную науку.

Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обес-печения их единства и способах достижения требуемой точности.

Измерения необходимы для оценки любого объекта трансформации (сырья, заготовки, детали, сборочной единицы) до ее начала, во время ее проведения и по окончании. В любом технологическом процессе надо знать, с чем приходится работать, чтобы планировать сам процесс, следить за тем как процесс идет, чтобы при необходимости корректировать его. Результат переработки исходного объекта тоже подлежит измерениям для оценки его качества и принятия управляющих решений (пропустить далее в обработку, продажу, эксплуатацию, забраковать, вернуть на переработку, потребовать изменения техпроцесса...).

Определяющее значение измерения имеют и для любых эксперимен-тальных исследований. Д.И.Менделеев сказал: "Наука начинается там, где начинают измерять. Точная наука немыслима без меры". Галилео Галилею приписывают слова: "Измерять то, что измеримо, делать измеримым то, что пока что неизмеримо".

Достоверные результаты исследований и выводы из них могут быть получены только при "опережающей точности измерений". Любой тонкий эффект можно зафиксировать только тогда, когда измерения позволяют выделить его из информационного шума, в том числе и обусловленного погрешностями измерений.

Обмен результатами научной деятельности и международная кооперация в промышленности и торговле требуют обеспечения одинак-овой достоверности всех результатов производственных и научных измерений.

Метрология использует для повышения точности измерений новейшие достижения физики и других наук. Постоянно создаются новые, все более точные средства измерений, включая эталоны, совершенст-вуются методы измерений и передачи единиц физических величин рабочим средствам измерений, а также методы выявления и оценки погрешностей измерений. В соответствии с требованиями обеспечения единства измерений метрология уделяет особое внимание поиску и исключению систематических погрешностей измерений, а также вероятностной оценке случайных погрешностей, которые в принципе невозможно прогнозировать другими методами.

На сегодняшний день можно признать существование объективно сложившихся теоретических основ в следующих областях измерений:

- физические (технические, электрические, оптические) измерения;

- квантовомеханические измерения;

- психологические измерения;

- кибернетические измерения;

- математические измерения;

- другие измерения.

Физическими измерениями занимается метрология, трактуемая как "теория погрешностей измерения".

Квантовомеханические измерения фактически основаны на взаимо-действии микрообъекта с измерительным макроприбором.

Психологические и им подобные измерения (измерения в социологии, психологии, системотехнике и им подобных областях) сводятся к выбору типа шкалы и "помещению" объекта в некоторую ее область.

В кибернетических измерениях в первую очередь рассматривают воздействие помех в измерительном канале на искажение измерительной информации. Специально для этих целей разработана информационная теория измерений.

Математические измерения основаны на допущении "идеальных измерений", результаты которых свободны от погрешностей. Кроме того, изучение измерения как некоторого способа (алгоритма) получения числового результата привело к разработке "алгоритмической теории измерения".

Измерения являются одним из путей познания мира, органически связанным с наблюдением и экспериментом, образуя вместе с ними основу познания. Измерения являются важнейшим элементом отражения объекти-вно существующих соотношений между реальными объектами. В этом их глубокий - философский - смысл, определяющий методы и средства позна-ния природы от микро- до макромира, включая социальные, психофизио-логические и другие проблемы, изучаемые человеком и требующие объективной оценки. Став точной наукой, метрология базируется на соответствующем математическом аппарате.

Используя математический аппарат в выборе объектов, методов и средств измерений в метрологии всё шире используются методы модели-рования различных объектов и физических величин, позволяющие конкре-тизировать те или иные свойства измеряемых объектов. Поэтому всё чаще в научной и нормативной документации по метрологии встречаются положения об использовании тех или иных моделей для оценки свойств и качеств исследуемых объектов.

Для того чтобы что-то измерить, нужно иметь представление об объекте исследования. Существующее в природе многообразие объектов воспринимается нами в виде моделей, отображающих реальный мир с той или иной полнотой и точностью.

Модуль№1 Шкалы измерений. Физические величины. Система единиц си Комплексная цель:

Основная цель заключена в изучении основных положений теории шкал измерений, а также соответствующих терминов и определений необходимых для правильного понимания и практического применения шкал измерений, в понимании необходимости создания строгой системы единиц физических величин, для обеспечения их взаимосвязи и обязательности ее использования во всех областях научно-технической деятельности.

1. Шкалы измерений

Измерению подлежат различные проявления свойств тел, веществ, явлений, процессов. Некоторые свойства при этом проявляются количественно (длина, масса, температура и т.п.), а другие - качественно (например, цвет, т.к. не имеет смысла выражение типа "красный цвет больше (меньше) синего"). Многообразие (количественное или качественное) проявлений любого свойства образуют множества, отоб-ражение элементов которых на упорядоченные множества чисел или, в более общем случае, на систему условных знаков образуют шкалы измерения этих свойств. Такими системами знаков являются, например, множество обозначений (названий) цветов, совокупность классифика-ционных символов или понятий, множество баллов оценки состояний объекта, множество действительных чисел и т.д. Элементы множеств проявления свойств находятся в определенных логических соотношениях между собой. Такими соотношениями могут быть "эквивалентность" (равенство) или "сходство" (близость) этих элементов, их количественная различимость ("больше", "меньше"), допустимость выполнения определен-ных математических операций сложения, вычитания, умножения деления с элементами множеств и т. д. Эти особенности элементов множеств прояв-ления свойств определяют типы (особенности соответствующих им шкал измерений).

Шкала измерений - отображение множества различных проявлений качественного или количественного свойства на принятое по соглашению упорядоченное множество чисел или другую систему логически связанных знаков (обозначений).

Примерами систем знаков, образующих шкалы измерений, являются множество баллов оценки свойств объектов, множество обозначений (названий) цвета объекта, множество названий состояния объекта, совоку-пность классификационных символов или понятий и т. п.

Шкала величины - шкала измерения количественного свойства.

Тип шкалы - классификационный признак данной шкалы измерений, характеризующий совокупность присущих ей логических соотношений.

В соответствии с логической структурой проявления свойств в теории измерений различают пять основных типов шкал измерений:

- наименований,

- порядка,

- метрические шкалы (разностей, интервалов, отношений),

- абсолютные шкалы,

- биофизическая шкала.

Каждый тип шкалы обладает определенными признаками, основные из которых рассматриваются ниже.

1.1. Шкала наименований - шкала измерений качественного свойст-ва, характеризующаяся только соотношением эквивалентности различных проявлений этого свойства.

Множество проявлений (реализации) качественного свойства может быть упорядочено по признаку близости (сходства) и (или) по признаку возможных количественных различий в некоторых подмножествах прояв-ления свойства.

Например, шкалы измерений цвета опираются на трехкоординатную модель цветового пространства, упорядоченную по цветовым различиям (качественный признак) и яркости (количественный признак).

Отличительные признаки шкал наименований: неприменимость в них понятий: нуля, единицы измерений, размерности; допустимость только изоморфных или гомоморфных преобразований; возможность реализации как с помощью эталонов, так и без них; недопустимость изменения спецификаций, описывающих конкретные шкалы. Шкалы наименований, по существу, качественны; однако возможны некоторые статистические операции при обработке результатов измерений в этих шкалах, например, можно найти модальный или наиболее многочисленный класс эквивалентности.

1.2. Шкала порядка - шкала количественного свойства, характеризу-ющаяся соотношениями эквивалентности и порядка по возрастанию (убыванию) различных проявлений свойства.

Отличительные признаки шкал порядка: неприменимость в них понятий "единица измерений" и "размерность", необязательность наличия нуля, допустимость любых монотонных преобразований, возможность реализации как с помощью эталонов, так и без них, недопустимость изменения спецификаций, описывающих конкретные шкалы.

Шкала порядка описывает свойства, для которых имеют смысл не только соотношения эквивалентности, но и соотношения порядка по возрастанию или убыванию количественного проявления свойства.

Характерным примером шкал порядка являются существующие шкалы чисел твердости тел, шкалы баллов землятрясений, шкалы баллов ветра, шкала оценки событий на АЭС и т.п. Узкоспециализированные шкалы порядка широко применяются в методах испытаний различной продукции.

В этих шкалах также нет возможности ввести единицы измерений из-за того, что они не только принципиально нелинейны, но и вид нелиней-ности может быть различен и неизвестен на разных ее участках. Результа-ты измерений в шкалах твердости, например, выражаются в числах твердости по Бринеллю, Виккерсу, Роквеллу, Шору, а не в единицах измерений. Шкалы порядка допускают монотонные преобра-зования, в них может быть или отсутствовать нулевой элемент.