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

2. Основы технических измерений тестованным СО углеродистой стали конкретной марки, то она на ука- занном СО может проверить надежность методики качественного и ко- личественного химического анализа.
В зависимости от уровня признания (утверждения) и сферы приме- нения различают категории СО — межгосударственные, государствен- ные, отраслевые и СО предприятия (организации).
В практике метрологическими службами используются СО разной категории для выполнения различных задач.
Так, создаваемые в Центральном институте агрохимического обслу- живания сельского хозяйства государственные и отраслевые образцы состава почв аттестованы на содержание макро- и микроэлементов (мар- ганца, кобальта, цинка, меди, молибдена, бора) и другие характеристи- ки (величина РН и
Эти СО были аттестованы в межлабораторном эксперименте и предназначаются для градуировки приборов, поверки
СИ, для контроля правильности анализов почв по аттестованным в СО
показателям, для аттестации СО предприятий методом сличения.
Измерительные преобразователи (ИП) — СИ, служащие для преоб- разования измеряемой величины в другую величину или сигнал изме- рительной информации, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований. По характеру преобразования различают аналоговые
(АП), цифроаналоговые аналого-цифровые (АЦП) преобразова- тели. По месту в измерительной цепи различают первичные (ИП, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величи- на) и промежуточные (ИП, занимающий место в измерительной цепи после первичного ИП) преобразователи.
Конструктивно обособленный первичный ИП, от которого поступа- ют сигналы измерительной информации, является датчиком. Датчик может быть вынесен на значительное расстояние от СИ, принимающе- го его сигналы. Например, датчики запущенного метеорологического радиозонда передают информацию о температуре, давлении, влажно- сти и других параметрах атмосферы.
Если преобразователи не входят в измерительную цепь и их метро- логические свойства не нормированы, то они не относятся к измери- тельным. Таковы, например, силовой трансформатор в радиоаппарату- ре, термопара в термоэлектрическом холодильнике.
Измерительный прибор — СИ, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапа- зоне. Прибор, как правило, содержит устройство для преобразования измеряемой величины и ее индикации в форме, наиболее доступной

Глава 3. Метрология для восприятия. Во многих случаях устройство для индикации имеет шкалу со стрелкой или другим устройством, диаграмму с пером или цифроуказатель, с помощью которых могут быть произведены отсчет или регистрация значений физической величины. В случае сопряже- ния прибора с мини-ЭВМ отсчет может производиться с помощью дисплея.
По степени индикации значений измеряемой величины измеритель- ные приборы подразделяют на показывающие и регистрирующие. По- казывающий прибор допускает только отсчитывание показаний измеря- емой величины (микрометр, аналоговый или цифровой вольтметр).
В регистрирующем приборе предусмотрена регистрация показаний —
в форме путем печатания показаний (термограф или. напри- мер, измерительный сопряженный с ЭВМ, дисплеем и устрой- ством для печатания показаний).
Измерительная установка — совокупность функционально объе- диненных мер, измерительных приборов, измерительных преобразо- вателей и других устройств, предназначенных для измерений одной или нескольких физических величин и расположенных в одном мес- те. Примером являются установка для измерения удельного сопротив- ления электротехнических материалов, установка для испытаний маг- нитных материалов. Измерительную установку, предназначенную для испытаний каких-либо изделий, иногда называют испытательным стендом.
Измерительная система — совокупность функционально объеди- ненных мер, измерительных приборов, измерительных преобразова- телей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точ- ках контролируемого пространства с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому пространству.
Примером может служить радионавигационная система для определе- ния местоположения судов, состоящая из ряда измерительных комп- лексов, разнесенных в пространстве на значительном расстоянии друг от друга.
«Лицо» современной измерительной техники определяется автома- тизированными измерительными системами (АИС), информационно- измерительными системами (ИИС),
комплексами
Типичная ИИС содержит в своем составе ЭВМ и обеспечивает сбор, обработку и хранение информации, поступающей от многочисленных датчиков, характеризующих состояние объекта или процесса. При этом результаты измерений выдаются как по заранее за- данной программе, так и по запросу.

2. Основы технических измерений
Применение новейших измерительных систем позволяет не только ускорить процесс измерения (что немаловажно для скоропортящихся товаров), но и дать более объективную характеристику качества конк- ретной партии товара.
Рассмотрим эффективность новейших измерительных систем на примере швейцарской системы анализа хлопка. При традиционном контроле на наших хлопковых заводах (проба от кипы партии) один образец проверяется не менее ч. В случае измерительной сис- темы за с проверяется не выборочно (4%, каждая 24-я кипа), а вся партия!
проверка показывает, что в каждой из кип в сред- нем хлопка оказывается более высокого качества, чем отра- жается в заводских протоколах испытаний при выборочном контроле.
Если эти теряемые умножить на объемы ежегодно экспортируе- мого волокна и перевести все это в валюту, то получится большая сум- ма потерь.
По метрологическому назначению все СИ подразделяются на два вида: рабочие СИ и эталоны.
Рабочие СИ (РСИ) предназначены для проведения технических из- мерений. По условиям применения они могут быть: 1) лабораторными,
используемыми при научных исследованиях, проектировании техничес- ких устройств, медицинских измерениях; 2) производственными, ис- пользуемыми для контроля характеристик технологических процессов,
контроля качества готовой продукции, контроля отпуска товаров; 3) по- левыми, используемыми непосредственно при эксплуатации таких тех- нических устройств, как самолеты, автомобили, речные и морские суда
К каждому виду РСИ предъявляются специфические требования:
к лабораторным — повышенная точность и чувствительность; к про- изводственным — повышенная стойкость к ударно-вибрационным на- грузкам, высоким и низким температурам; к полевым — повышенная стабильность в условиях резкого перепада температур, высокой влаж- ности.
Эталоны являются высокоточными СИ, а поэтому используются для проведения метрологических измерений в качестве средств передачи информации о размере единицы. Размер единицы передается «сверху вниз», от более точных СИ к менее точным «по цепочке»: первичный эталон — вторичный эталон — рабочий эталон 0-го разряда — рабочий эталон 1-го разряда... — рабочее средство измерений.
Передача размера осуществляется в процессе поверки СИ. Целью поверки является установление пригодности СИ к применению.

Глава 3. Метрология
Соподчинение СИ, участвующих в передаче размера единицы от эта- лона к РСИ, устанавливается в поверочных схемах СИ*.
Россия располагает самой современной эталонной базой. Она входит в тройку самых совершенных наряду с базами США и Японии. Эталон- ная база в дальнейшем будет развиваться в количественном и главным образом в качественном отношении. Перспективно создание многофун- кциональных эталонов, т.е. эталонов, воспроизводящих на единой конст- руктивной и метрологической основе не одну, а несколько единиц физи- ческих величин или одну единицу, но в широком диапазоне измерений.
Так, метрологические институты страны создают единый эталон време- ни, частоты и длины, который позволит, кстати, уменьшить погрешность воспроизведения единицы длины до •
Если технический уровень первичных эталонов в России благодаря успехам науки и энтузиазму ученых можно оценить как вполне удовлет- ворительный, то состояние парка СИ, находящихся в практическом обра- щении, прежде всего рабочих эталонов и РСИ, внушает тревогу. Если в гг. срок обновления отечественной измерительной техники, как пра- вило, составлял пять-шесть лет (для сравнения в США и Японии — не бо- лее трех лет), то наблюдаемый сейчас регресс в области отечественного приборостроения еще больше увеличил сроки обновления рабочих этало- нов и РСИ, что ведет к значительному старению измерительной техники.
Другой проблемой отечественных производителей СИ является вы- сокая стоимость их разработок в сравнении с зарубежными фирмами.
Для преодоления традиционного отставания необходимо также в ственных приборах предусматривать: высокую степень автоматизации на базе микропроцессорной технологии, быстродействие, высокую на- дежность, пониженные массу, габариты и энергопотребление, высокий уровень эстетики и эргономики.
Многообразие СИ обусловливает необходимость применения специ- альных мер по обеспечению единства измерений. Как указывалось выше,
одно из условий соблюдения единства измерений — установление для СИ
определенных (нормированных) метрологических характеристик.

2. Основы технических измерений
Метрологические характеристики, устанавливаемые НД, называют нормируемыми метрологическими характеристиками.
Все метрологические свойства СИ можно разделить на две группы:
1) свойства, определяющие область применения СИ;
2) свойства, определяющие точность (правильность и прецизион- ность) результатов измерения.
К основным метрологическим характеристикам, определяющим свойства первой группы, относятся диапазон измерений и порог чув- ствительности.
Диапазон измерений — область значений величины, в пределах кото- рых нормированы допускаемые пределы погрешности. Значения величи- ны, ограничивающие диапазон измерений снизу или сверху (слева и спра- ва), называют соответственно нижним или верхним пределом измерений.
Порог чувствительности — наименьшее изменение измеряемой величины, которое вызывает заметное изменение выходного сигнала.
Например, если порог чувствительности весов равен мг, то это озна- чает, что заметное перемещение стрелки весов достигается при таком малом изменении массы, как мг.
К метрологическим свойствам второй группы относятся два главных свойства точности: правильность и прецизионность результатов.
Точность измерений СИ определяется их погрешностью.
Погрешность средства измерений* — это разность между показани- ями СИ и истинным значением измеряемой величи- ны**. Поскольку истинное значение физической величины неизвестно, то на практике пользуются ее действительным значением. Для рабочего СИ
за действительное значение принимают показания рабочего эталона низ- шего разряда (допустим, 4-го), для эталона 4-го разряда, в свою оче- редь,
величины, полученное с помощью рабочего эталона 3- го разряда. Таким образом, за базу для сравнения принимают значение
СИ, которое является в поверочной схеме вышестоящим по отношению к подчиненному СИ, подлежащему поверке:
где
— погрешность поверяемого СИ;
— значение той же самой величины, найденное с помощью поверяемого СИ;
— значение СИ,
принятое за базу для сравнения, т.е. действительное значение.
* Следует делать различие между понятиями «погрешность» и «ошибка». Первая возникает по объективным обстоятельствам, устранить ее невозможно, можно умень- шить с помощью определенных методов. Термин «ошибка» связан с субъективными обстоятельствами. После проверки результатов ее устраняют.
** Понятия истинного и действительного значения подробно рассмотрены в разд. 4
данной главы.

170 Глава 3. Метрология
Например, при измерении барометром атмосферного давления по- лучено значение гПа. За действительное значение принято показание рабочего эталона, которое равнялось
=
гПа. Следо- вательно, погрешность измерения барометром составила:
= -3 гПа.
Погрешности СИ могут быть классифицированы по ряду признаков,
в частности:
по способу выражения — абсолютные, относительные;
по характеру проявления — систематические, случайные;
по отношению к условиям применения — основные, дополнитель- ные.
Наибольшее распространение получили метрологические свойства,
связанные с первой группировкой — с абсолютными и относительны- ми погрешностями.
Определяемая по формуле (3)
является абсолютной погрешно-
стью. Однако в большей степени точность СИ характеризует относи- тельная погрешность (8), т.е. выраженное в процентах отношение аб- солютной погрешности к действительному значению величины,
измеряемой или воспроизводимой данным СИ:
Точность может быть выражена обратной величиной относительной
погрешности — 1/8. Если погрешность 8 = 0,1% или то точность равна
В стандартах нормируют характеристики, связанные с другими по- грешностями.
Систематическая погрешность — составляющая погрешности ре- зультата измерения, остающаяся постоянной (или же закономерно из- меняющейся) при повторных измерениях одной и той же величины. Ее примером может быть погрешность градуировки, в частности погреш- ность показаний прибора с круговой шкалой и стрелкой, если ось по- следней смещена на некоторую величину относительно центра шкалы.
Если эта погрешность известна, то ее исключают из результатов разны- ми способами, в частности введением поправок. При химическом ана- лизе систематическая погрешность проявляется в случаях, когда метод измерений не позволяет полностью выделить элемент или когда нали- чие одного элемента мешает определению другого.
При нормировании систематической составляющей погрешности
СИ устанавливают пределы допускаемой систематической погрешно- сти СИ конкретного типа —

2. Основы технических измерений 171
Величина систематической погрешности определяет такое метроло- гическое свойство, как правильность измерений СИ.
Случайная погрешность — составляющая погрешности результата измерения, изменяющаяся случайным образом (по знаку и значению) в серии повторных измерений одного и того же размера величины с оди- наковой тщательностью. В появлении этого вида погрешности не на- блюдается какой-либо закономерности. Они неизбежны и неустранимы,
всегда присутствуют в результатах измерения. При многократном и до- статочно точном измерении они порождают рассеяние результатов.
Характеристиками рассеяния являются средняя арифметическая погрешность, средняя квадратическая погрешность, размах результатов измерений. Поскольку рассеяние носит вероятностный характер, то при указании на значения случайной погрешности задают вероятность.
Укажем в качестве примера на две нормируемые метрологические характеристики, отражающие точность СИ.
Доверительная погрешность — верхняя и нижняя границы интер- вала погрешности результата измерений при данной доверительной ве- роятности. Например, в поверочной схеме для гирь и весов (табл. 4)
установлено для гирь разрядов значение доверительной абсо- лютной погрешности (8) при вероятности 0,95.
Средняя квадратическая погрешность (среднее квадратическое от- клонение
— характеристика рассеяния результатов измерений од- ной и той же величины вследствие влияния случайных погрешностей.
Применяется для оценки первичных и вторичных эталонов.
Например, в поверочной схеме (см. табл. 4) для гири как вторичного эталона (эталона-копии) дано значение погрешности через такую раз- новидность показателя, как суммарная погрешность результата измере- ний
Она представляет среднюю квадратическую погрешность результата измерений, состоящую из случайных и неисключенных систематичес- ких погрешностей.
Наконец, показатели точности могут устанавливаться в связи с груп- пировкой погрешностей СИ по условиям измерения.
Основная погрешность СИ — погрешность, определяемая в нор- мальных условиях применения СИ.
Дополнительная погрешность СИ — составляющая погрешности
СИ, дополнительно возникающая вследствие отклонения какой-либо из влияющих величин (температуры, относительной влажности, напряже- ния сети переменного тока и пр.) от ее нормального значения.
Обычно метрологические характеристики нормируют раздельно для нормальных и рабочих условий применения СИ. Нормальными счита- ются условия, при которых изменением характеристик под воздействи-