Файл: Учебник рекомендовано Министерством образования Российской Федерации в качестве учебника для студентов высших учебных заведений.pdf

158 Глава 3. Метрология
Метрология наука об измерениях, методах и средствах обеспе- чения их единства и способах достижения требуемой точности. Мет- рологию подразделяют на теоретическую, прикладную и законодатель- ную.
Теоретическая метрология занимается вопросами фундаменталь- ных исследований, созданием системы единиц измерений, физических постоянных, разработкой новых методов измерения.
Прикладная (практическая) метрология занимается вопросами прак- тического применения в различных сферах деятельности результатов теоретических исследований в рамках метрологии.
Законодательная метрология включает совокупность взаимообус- ловленных правил и норм, направленных на обеспечение единства из- мерений, которые возводятся в ранг правовых положений (уполномо- ченными на то органами государственной власти), имеют обязательную силу и находятся под контролем государства.
2. ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
2.1. Общая характеристика объектов измерений
Основным объектом измерения в метрологии являются физические величины.
Физическая величина (краткая форма термина — «величина») при- меняется для описания материальных систем и объектов (явлений,
процессов и т.п.), изучаемых в любых науках (физике, химии и др.).
Как известно, существуют основные и производные величины. В ка- честве основных выбирают величины, которые характеризуют фунда- ментальные свойства материального мира. Механика базируется на трех основных величинах, теплотехника — на четырех, физика — на семи. ГОСТ
устанавливает семь основных физических вели- чин длина, масса, время, термодинамическая температура, количе- ство вещества, сила света, сила электрического тока, с помощью ко- торых создается все многообразие производных физических величин и обеспечивается описание любых свойств физических объектов и явлений.
Измеряемые величины имеют качественную и количественную ха- рактеристики.
Формализованным отражением качественного различия измеряемых величин является их размерность. Согласно стандарту

2. Основы технических измерений
ИСО размерность обозначается символом dim*. Размерность основных величин — длины, массы и времени — обозначается соответствующими заглавными буквами:
dim = dim dim t= Т.
Размерность производной величины выражается через размерность основных величин с помощью степенного одночлена:
(1)
где L, М,
размерности соответствующих основных физических величин; а, (3, у — показатели размерности (показатели степени, в ко- торую возведены размерности основных величин).
Каждый показатель размерности может быть положительным или отрицательным, целым или дробным, нулем. Если все показатели размерности равны нулю, то величина называется безразмерной. Она может быть относительной, определяемой как отношение одноимен- ных величин (например, относительная диэлектрическая проницае- мость), и логарифмической, определяемой как логарифм относитель- ной величины (например, логарифм отношения мощностей или напряжений).
Количественной характеристикой измеряемой величины служит ее
размер. Получение информации о размере физической или нефизиче- ской величины является содержанием любого измерения.
Простейший способ получения информации, который позволяет со- ставить некоторое представление о размере измеряемой величины, за- ключается в сравнении его с другим по принципу «что больше (меньше)?»
или «что лучше (хуже)?» При этом число сравниваемых между собой размеров может быть достаточно большим. Расположенные в порядке возрастания или убывания размеры измеряемых величин образуют шка-
лы порядка. Операция расстановки размеров в порядке их возрастания или убывания с целью получения измерительной информации по шкале порядка называется ранжированием. Для обеспечения измерений по шкале порядка некоторые точки на ней можно зафиксировать в качестве опорных (реперных). Точкам шкалы могут быть присвоены цифры, час- то называемые баллами. Знания, например, оценивают по четырехбалль- ной реперной шкале, имеющей следующий вид: неудовлетворительно,
удовлетворительно, хорошо, отлично. По реперным шкалам измеряются твердость минералов, чувствительность пленок и другие величины (ин- тенсивность землетрясений измеряется по двенадцатибалльной шкале,
называемой международной сейсмической шкалой).
* dim — от лат. «dimension» (размерность).

160 Глава 3. Метрология
Недостатком реперных шкал является неопределенность интервалов между реперными точками. Например, по шкале твердости, в которой одна крайняя точка соответствует наиболее твердому минералу — ал- мазу, а другая наиболее мягкому — тальку, нельзя сделать заключение о соотношении эталонных материалов по твердости. Так, если твер- дость алмаза по шкале а кварца — 7, то это не означает, что первый тверже второго в 1,4 раза. Определение твердости путем вдавливания алмазной пирамиды (метод М.М. Хрущева) показывает, что твердость алмаза —
060, а кварца —
т.е. в 9 раз больше.
Более совершенна в этом отношении шкапа интервалов. Примером ее может служить шкала измерения времени, которая разбита на круп- ные интервалы (годы), равные периоду обращения Земли вокруг Солн- ца; на более мелкие (сутки), равные периоду обращения Земли своей оси. По шкале интервалов можно судить не только о том, что один размер больше другого, но и том, на сколько больше. Однако по шкале интервалов нельзя оценить, во сколько раз один размер больше другого.
Это обусловлено тем, что на шкале интервалов известен только масш- таб, а начало отсчета может быть выбрано произвольно.
Наиболее совершенной является шкала отношений. Примером ее может служить температурная шкала Кельвина. В ней за начало отсчета принят абсолютный нуль температуры, при котором прекращается теп- ловое движение молекул; более низкой температуры быть не может. Вто- рой реперной точкой служит температура таяния льда. По шкале Цель- сия интервал между этими реперами равен 273,16°С. По шкале отношений можно определить не только, на сколько один размер больше
или меньше другого, но и во сколько раз он больше или меньше.
В зависимости от на какие интервалы разбита шкала, один и же размер представляется по-разному. Например, длина перемеще- ния некоторого тела на 1 м может быть представлена как L = 1 м =
= 100 см = 1000 мм. Отмеченные три варианта являются значениями измеряемой величины — оценками размера величины в виде некото- рого числа принятых для нее единиц. Входящее в него отвлеченное число называется числовым значением. В приведенном примере это
1, 100, 1000.
Значение величины получают в результате ее измерения или вычис- ления в соответствии с основным уравнением измерения:

2. Основы технических измерений 161
Допустим, измеряется длина отрезка прямой в см с помощью линей- ки, имеющей деления в сантиметрах и миллиметрах. Для данного случая
=
=
= 1
=
= 100 и
= 1 мм;
=
так как см = 100 мм. Применение различных единиц (1 см и
1 мм) не привело к изменению числового значения результата измерений.
2.2. Понятие видов и методов измерений
Цель измерения* — получение значения этой величины в форме,
наиболее удобной для пользования. С помощью измерительного при- бора сравнивают размер величины, информация о котором преобразу- ется в перемещение указателя, с единицей, хранимой шкалой этого прибора.
Измерения могут быть классифицированы:
по характеристике точности
(ряд измерений какой- либо величины, выполненных одинаковыми по точности СИ и в одних и тех же условиях), неравноточные (ряд измерений какой-либо величи- ны, выполненных различными по точности СИ и (или) в нескольких разных условиях);
по числу измерений в ряду измерений — однократные, многократ-
ные;
по отношению к изменению измеряемой величины — статические
(измерение неизменной во времени физической величины, например измерение длины детали при нормальной температуре или измерение размеров земельного участка), динамические (измерение изменяющей- ся по размеру физической величины, например измерение переменно- го напряжения электрического тока, измерение расстояния до уровня земли со снижающегося самолета);
по выражению результата измерений — абсолютные (измерение,
основанное на прямых измерениях величин и (или) использовании зна- чений физических констант, например измерение силы F основано на измерении основной величины массы т и использовании физической постоянной — ускорения свободного падения g) и относительные (из- мерение отношения величины к одноименной величине, выполняющей роль единицы);
* От термина «измерение» происходит термин «измерять», который не рекоменду- ется подменять другими терминами — «мерить», «обмерять», «примерять». Не рекомен- дуется применять такое выражение, как «измерение значения», так как значение вели- чины — это уже результат измерений.
6 И. М. Лифиц - CMC

Глава 3. Метрология по общим приемам получения результатов измерений — прямые
(измерение, при котором искомое значение физической величины полу- чают непосредственно, например измерение массы на весах, длины детали микрометром), косвенные (измерение, при котором искомое зна- чение величины определяют на основании результатов прямых измере- ний других физических величин, функционально связанных с искомой величиной, например определение твердости (ИВ) металлов вдав- ливания стального шарика определенного диаметра (D) с определенной нагрузкой (Р) и получения при этом определенной глубины отпечатка
(Л): НВ = PI (nD х
Понятие о методах измерений. Метод измерений — прием или совокупность приемов сравнения измеряемой величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений.
Методы измерений классифицируют по нескольким признакам.
По общим приемам получения результатов измерений различают:
1) прямой метод измерений; 2) косвенный метод измерений. Первый реализуется при прямом измерении, второй — при косвенном измере- нии, которые описаны выше.
По условиям измерения различают контактный и бесконтактный методы измерений.
Контактный метод измерений основан на том, что чувствительный элемент прибора приводится в контакт с объектом измерения (измере- ние температуры тела термометром). Бесконтактный метод измерений основан на том, что чувствительный элемент прибора не приводится в контакт с объектом измерения (измерение до объекта радио- локатором, измерение температуры в доменной печи пирометром).
Исходя из способа сравнения измеряемой величины с ее едини- цей, различают методы непосредственной оценки и метод сравнения с мерой.
При методе непосредственной оценки определяют значение величи- ны непосредственно по отсчетному устройству показывающего СИ (тер- мометр, вольтметр и пр.). Мера, отражающая единицу измерения, в из- мерении не участвует. Ее роль в СИ шкала,
при его производстве с помощью достаточно точных СИ.
При методе сравнения с мерой измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой (измерение массы на рычажных весах с уравновешиванием гирями). Существует ряд разновидностей этого метода: нулевой метод, метод измерений с замещением, метод совпадений [25].

2. Основы технических
163
2.3. Характеристика средств измерений
Классификация и общая характеристика средств
измерений
Средством измерений (СИ) называют техническое средство (или их комплекс), используемое при измерениях и имеющее нормированные характеристики*. В отличие от таких технических средств, как индикаторы, предназначенных для обнаружения физиче- ских свойств (компас, лакмусовая бумага, осветительная электрическая лампочка), СИ позволяют не только обнаружить физическую величину,
но и измерить ее, т.е. сопоставить неизвестный размер с известным.
Если физическая величина известного размера есть в наличии, то она непосредственно используется для сравнения (измерение плоского угла транспортиром, массы — с помощью весов с гирями). Если же физиче- ской величины известного размера в наличии нет, то сравнивается ре- акция (отклик) прибора на воздействие измеряемой величины с явившейся ранее реакцией на воздействие той же величины, но известного размера (измерение силы тока амперметром). Для облегче- ния сравнения еще на стадии изготовления прибора отклик на извест- ное воздействие фиксируют на шкале отсчетного устройства, после чего наносят на шкалу деления в кратном и дольном отношении. Описанная процедура называется градуировкой шкалы. При измерении она позво- ляет по положению указателя получать результат сравнением непосред- ственно по шкале отношений. Итак, СИ (за исключением некоторых мер — гирь, линеек) в простейшем случае производят две операции:
обнаружение физической величины; сравнение неизвестного размера с известным или сравнение откликов на воздействие известного и неиз- вестного размеров.
Другими отличительными признаками СИ являются, во-первых,
«умение» хранить (или воспроизводить) единицу физической величи- ны; во-вторых, неизменность размера хранимой единицы. Если же раз- мер единицы в процессе измерений изменяется более, чем установле- но нормами, то с помощью такого средства невозможно получить результат с требуемой точностью. Отсюда следует, что измерять мож- но только тогда, когда техническое средство, предназначенное для этой цели, может хранить единицу, достаточно неизменную по размеру (во времени).
* Приведенное в Законе РФ об обеспечении единства измерений очень лаконичное оп- ределение термина как «технического устройства, предназначенного для измерений», не- корректно. В частности, под него подпадают, например, такие устройства, используемые при измерениях, как пинцеты, эксикаторы, кюветы и пр.
6*

164 Глава 3. Метрология
СИ можно классифицировать по двум признакам: 1) конструктивное исполнение; 2) метрологическое назначение.
По конструктивному исполнению СИ подразделяют на меры, изме- рительные преобразователи; измерительные приборы, измерительные установки, измерительные системы.
Меры величины — СИ, предназначенные для воспроизведения и
(или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров. Различают меры: однозначные (гиря 1 кг, калибр, конденса- тор постоянной емкости); многозначные (масштабная линейка, конден- сатор переменной емкости); наборы мер (набор гирь, набор калибров).
Набор мер, конструктивно объединенных в единое устройство, в кото- ром имеются приспособления для их соединения в различных комбина- циях, называется магазином мер. Примером такого набора может быть магазин электрических сопротивлений, магазин индуктивностей. Срав- нение с мерой выполняют с помощью специальных технических средств — компараторов (рычажные весы, измерительный мост и т.д.).
К однозначным мерам можно отнести стандартные образцы (СО).
Существуют стандартные образцы состава и стандартные образцы свойств.
СО состава вещества (материала) — стандартный образец с установ- ленными значениями величин, характеризующих содержание опреде- ленных компонентов в веществе (материале).
СО свойств веществ (материалов) — стандартный образец с установ- ленными значениями величин, характеризующих физические, химичес- кие, биологические и другие свойства.
Новые СО допускаются к использованию при условии прохождения ими метрологической аттестации. Указанная процедура — это призна- ние этой меры, узаконенной для применения на основании исследова- ния СО. Метрологическая аттестация проводится органами метрологи- ческой службы.
Примером СО состава является СО состава углеродистой стали оп- ределенной марки. Примером СО свойств является так называемая шка- ла твердости которая представляет собой набор 10 эталонных минералов для определения числа твердости по условной шкале. Каж- дый последующий минерал этой шкалы является более твердым, чем предыдущий. Эту шкалу используют для оценки относительной твер- дости стекла и керамики.
Одна из главных функций СО состава и свойств — контроль мето- дики выполнения измерений (МВИ) в порядке внутреннего контроля ис- пытательных лабораторий и внешнего контроля, в частности в рамках
«раунд-тестирования» (см. Введение, разд. 3). Например, если анали- тическая лаборатория металлургического предприятия располагает ат-