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

Глава 3. Метрология ем внешних факторов (температура, влажность и пр.) принято пренеб- регать. Так, для многих типов СИ нормальными условиями применения являются температура (293 ± 5) К, атмосферное давление
± 4)
относительная влажность (65 ± 15)%, электрическое напряжение в сети питания 220 В ± 10%. Рабочие условия отличаются от нормальных бо- лее широкими диапазонами изменения влияющих величин. И те и дру- гие метрологические характеристики указываются в НД.
Оценка погрешности измерений СИ, используемых для определения показателей качества товаров, определяется спецификой применения последних. Например, погрешность измерения цветового тона керами- ческих плиток для внутренней отделки жилища должна быть по край- ней мере на порядок ниже, чем погрешность измерения аналогичного показателя серийно выпускаемых картин, сделанных цветной фотопе- чатью. Дело в том, что разнотонность двух наклеенных рядом на стену кафельных плиток будет бросаться в глаза, тогда как разнотонность от- дельных экземпляров одной картины заметно не проявится, так как они используются разрозненно.
Номенклатура нормируемых метрологических характеристик СИ
определяется назначением, условиями эксплуатации и многими други- ми факторами. У СИ, применяемых для высокоточных измерений, нор- мируется до десятка и более метрологических характеристик в стандар- тах технических требований (технических условий) и ТУ. Нормы на основные метрологические характеристики приводятся в эксплуатаци- онной документации на СИ. Учет всех нормируемых характеристик не- обходим при измерениях высокой точности и в метрологической прак- тике. В повседневной производственной практике широко пользуются обобщенной характеристикой — классом точности.
Класс точности
обобщенная характеристика, выражаемая пре- делами допускаемых (основной и дополнительной) погрешностей, а так- же другими характеристиками, влияющими на точность. Классы точнос- ти конкретного типа СИ устанавливают в НД. При этом для каждого класса точности устанавливают конкретные требования к метрологичес- ким характеристикам, в совокупности отражающим уровень точности СИ
данного класса. Например, для вольтметров нормируют: предел допуска- емой основной погрешности и соответствующие нормальные условия;
пределы допускаемых дополнительных погрешностей; пределы допуска- емой вариации показаний; невозвращение указателя к нулевой отметке.
У плоскопараллельных концевых мер длины такими характеристиками являются пределы допускаемых отклонений от номинальной длины и

2. Основы технических измерений 173
пределы допускаемого изменения длины в тече- ние года. У мер электродвижущей силы (нормальных элементов) норми- руют пределы допускаемой нестабильности ЭДС в течение года.
Обозначение классов точности осуществляется следующим образом.
Если пределы допускаемой основной погрешности выражены в форме абсолютной погрешности СИ, то класс точности обозначается прописными буквами римского алфавита. Классам точности, которым соответствуют меньшие пределы допускаемых погрешностей, присва- иваются буквы, находящиеся ближе к началу алфавита.
Пределы допускаемой основной погрешности для тех у кото- рых их принято выражать в форме относительной погрешности, обозна- чаются числами, которые равны этим пределам, выраженным в процен- тах. Так, класс точности нормальных элементов свидетельствует о том, что их нестабильность за год не превышает 0,001%. Обозначе- класса точности наносят на циферблаты, щитки и корпуса СИ, при- водят в НД. СИ с несколькими диапазонами измерений одной и той же физической величины или предназначенным для измерений разных фи- зических величин могут быть присвоены различные классы точности для каждого диапазона или для каждой измеряемой величины. Так, элек- троизмерительному прибору, предназначенному для измерений напря- жения и сопротивления, могут быть присвоены два класса точности:
один — как вольтметру, другой — как омметру.
Присваиваются классы точности СИ при их разработке (по резуль- татам приемочных испытаний). В связи с тем что при эксплуатации их метрологические характеристики обычно ухудшаются, допускается понижать класс точности по результатам поверки (калибровки).
Итак, класс точности позволяет судить о том, в каких пределах на- ходится погрешность измерений этого класса. Это важно знать при выборе СИ в зависимости от заданной точности измерений.
Точность и методика производимых измерений требуют специаль- ного рассмотрения.
2.4. Основы теории и методики измерений
Основной постулат метрологии. Выше, при рассмотрении количе- ственной характеристики измеряемых величин, было упомянуто урав- нение измерения, в котором отражена процедура сравнения неизвест- ного размера Q с известным
Q/[Q] = X. В качестве единицы измерения [Q] при измерении величин выступает соответствующая единица Международной системы. Информация о ней заложена либо в градуированной характеристике СИ, либо в разметке шкалы отсчетно-

174 Глава 3. Метрология го устройства, либо в значении вещественной меры. Указанное уравне- ние является математической моделью измерения по шкале отношений.
Теоретически отношение двух размеров должно быть вполне опреде- ленным, неслучайным числом. Но практически размеры сравниваются в условиях множества случайных и неслучайных обстоятельств, точный учет которых невозможен. Поэтому при многократном измерении одной и той же величины постоянного размера результат, называемый отсчетом по шкале отношений, получается все время разным. Это положение, уста- новленное практикой, формулируется в виде аксиомы, являющейся основ- ным постулатом метрологии: отсчет является случайным числом.
Факторы, влияющие на результат измерения (влияющие факторы).
При подготовке и проведении высокоточных измерений в метрологичес- кой практике учитывают влияние объекта измерения, субъекта (экспер- та или экспериментатора), метода измерения, средства измерения, усло- вий измерения.
Объект
должен быть всесторонне изучен. Так, при изме- рении плотности вещества должно быть гарантировано отсутствие ино- родных включений, при измерении диаметра вала нужно быть уверен- ным в том, что он круглый. В зависимости от характера объекта и цели измерения учитывают (или отвергают) необходимость корректировки измерений. Например, при измерении площадей сельскохозяйственных угодий пренебрегают кривизной земли, что нельзя делать при измере- нии поверхности океанов. При измерении периода обращения Земли вокруг Солнца можно заранее пренебречь его неравномерностью, а можно, наоборот, сделать ее объектом исследования.
Субъект, т.е. оператор, привносит в результат измерения элемент субъективизма, который по возможности должен быть сведен к миниму- му. Он зависит от квалификации оператора, санитарно-гигиенических условий труда, его психофизиологического состояния, учета эргономичес- ких требований при взаимодействии оператора с СИ. Санитарно-гигие- нические условия включают такие факторы, как освещение, уровень шума, чистота воздуха, микроклимат.
Как известно, освещение может быть естественным и искусствен- ным. Наиболее благоприятным является естественное освещение, про- изводительность труда при котором на выше, чем при искусствен- ном. Дневной свет должен быть рассеянным, без бликов. Искусственное освещение помещений должно быть люминесцентным, рассеянным.
Люди с нормальным зрением способны различать мелкие предметы лишь при освещенности не менее лк. Максимальная острота зре- ния наступает при освещенности лк. В оптимальных усло- виях продолжительность ясного видения (с хорошей остротой) при не-

2. Основы технических измерений 175
прерывной работе составляет 3 ч. Уровень щума в лабораториях не дол- жен превышать дБ.
Важное значение имеют собранность, настроение, режим труда эк- сперта. Наибольшая работоспособность отмечается в утренние и днев- ные часы —
1 2 и с 14 до 17. В период с 12 до 14 ч и в вечерние часы работоспособность, как правило, снижается, а в ночную смену она минимальна.
Измерительные приборы размещают в поле зрения оператора в зоне,
ограниченной углами ±30° от оси в горизонтальной и вертикальной плос- костях. Отсчетные устройства должны располагаться перпендикулярно линии зрения оператора. Оптимальное расстояние от шкалы до глаз опе- ратора определяется высотой знака, подлежащего считыванию. По кон- трастности отметки шкал должны на порядок отличаться от фона.
По данным профессора М.Ф. Маликова, в зависимости от индиви- дуальных особенностей операторов, связанных с их реакцией, измери- тельными навыками и т.п., неточность глазомерного отсчета по шкалам измерительных приборов достигает ±0,1 деления шкалы.
Метод измерений — прием или совокупность приемов сравнения измеряемой величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. Очень часто измерение одной и той же величи- ны постоянного размера разными методами дает различные результаты,
причем каждый из них имеет свои недостатки и достоинства. Искусст- во оператора состоит в том, чтобы соответствующими способами ис- ключить, компенсировать или учесть факторы, искажающие результа- ты. Если измерение не удается выполнить так, чтобы исключить или компенсировать какой-либо фактор, влияющий на результат, то в по- следний в ряде случаев вносят поправку.
Поправки могут быть аддитивными (от лат.
— прибавля- емый) и мультипликативными (от лат. «multipico» — умножаю). Напри- мер, для расчета сопротивления измеряют значение электрического тока, протекающего через резистор, и падение напряжения на нем. При этом возможны два варианта включения вольтметра и амперметра и со- ответственно различные аддитивные поправки. В одном случае из по- казания амперметра нужно вычесть ток, протекающий через вольтметр,
в другом — из показания вольтметра нужно вычесть падение напряже- ния на амперметре. Другой пример (по учету мультипликативной по- правки): при измерении ЭДС вольтметром учитывают сопротивление источника питания путем умножения показания вольтметра на попра- вочный множитель, определяемый расчетным путем.
Влияние СИ на измеряемую величину во многих случаях проявляется как возмущающий фактор. Например, ртутный термометр, опущенный в

Глава 3. Метрология пробирку с охлажденной жидкостью, подогревает ее и показывает не пер- воначальную температуру а температуру, при которой устанав- ливается термодинамическое равновесие. Другим фактором является инер- ционность СИ. Некоторые СИ дают постоянно завышенные или постоянно заниженные показания, что может быть результатом дефекта изготовления,
некоторой нелинейности преобразования. Эти особенности СИ выявляются при их метрологическом исследовании. По итогам устанавливается адди- тивная или мультипликативная поправка в виде числа или функции, она может задаваться графиком, таблицей или формулой. Например, если вследствие дефекта изготовления стрелка на шкале удлинений разрывной машины в исходном положении устанавливается не на нуле, а на делении
5 мм, то все результаты будут иметь систематическую погрешность 5 мм,
на которую нужно делать аддитивную поправку при подсчете.
Условия измерения как фактор, влияющий на результат, включают температуру окружающей среды, влажность, атмосферное давление, на- пряжение в сети и многое другое.
Рассмотрев факторы, влияющие на результаты измерений, можно сделать следующие выводы: при подготовке к измерениям они должны по возможности исключагься, в процессе измерения компенсироваться,
а после измерения учитываться.
Учет указанных факторов предполагает исключение ошибок и вне- сение поправок к измеренным величинам.
Появление ошибок вызвано недостаточной надежностью системы,
в которую входят оператор, объект измерения, СИ и окружающая сре- да. В данной системе могут происходить отказы аппаратуры, отвлече- ние внимания человека, описки в записях, сбои в аппаратуре, колебания напряжения в сети.
При однократном измерении* ошибка может быть выявлена при сопоставлении результата с априорным представлением о нем или пу- тем логического анализа. Измерения повторяют для устранения причи- ны ошибки.
При многократном измерении одной и той же величины ошибки про- являются в том, что результаты отдельных измерений заметно отлича- ются от остальных. Если отличие велико, ошибочный результат необ- ходимо отбросить. При этом руководствуются «правилом трех сигм»:
* Условно к однократному относят двукратные и трехкратные измере- ния, так как для большей уверенности в получаемом результате одним измерением не ограничиваются. Начиная с какого числа можно считать измерение многократным?
Практически при четырех измерениях и более измерение можно считать многократным,
так как именно при этом минимальном числе отдельных измерений может быть произ- ведена математическая