Изучение метрологических характеристик средств измерений и методик обработки результатов измерений

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный технический университет

ИЗУЧЕНИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

И МЕТОДИК ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Метрология. Стандартизация. Сертификация»

для студентов специальности 280201.65 «Охрана окружающей среды

и рациональное использование природных ресурсов»

дневной и заочной форм обучения

Одобрено

редакционно-издательским советом

Саратовского государственного технического университета

Саратов 2009

ВВЕДЕНИЕ

Динамическое развитие экономики страны невозможно без повышения конкурентоспособности отечественных товаров и услуг, качества жизни как на внутреннем рынке, так и на внешнем. Ориентация только на ценовую конкуренцию в современных условиях решающего успеха уже не гарантирует. Определяющим для потребителей во всех странах мира стало качество. Эти требования, как правило, не одинаковы для различных групп потребителей и отличаются в зависимости от покупательской способности населения, уровня конкуренции, климатических условий, культурных традиций и многих других факторов. А это означает, что качеством продукции и услуг необходимо управлять, уметь количественно оценивать и анализировать их показатели, варьировать влияющими на них процессами.

Метрология – наука об измерениях, а измерения – один из важнейших путей познания. Они играют огромную роль в современном обществе. Наука, промышленность, экономика и коммуникации не могут существовать без измерений. Каждую секунду в мире производятся миллиарды измерительных операций, результаты которых используются для обеспечения качества и технического уровня выпускаемой продукции, безопасной и безаварийной работы транспорта, обоснования медицинских и экологических диагнозов, анализа информационных потоков. Практически нет ни одной сферы человеческой деятельности, где бы интенсивно не использовались результаты измерений, испытаний и контроля. Для их получения вовлечены миллионы людей и большие финансовые средства. Примерно 15% затрат общественного труда расходуется на проведение измерений. По оценкам экспертов, от 3 до 9% валового национального продукта передовых индустриальных стран приходится на измерения и связанные с ними операциями.

Таким образом, умение правильно подобрать необходимые для работы средства измерения, знание их характеристик и правил эксплуатации, а так же овладение методиками для проведения необходимых расчетов и приближений позволяет повысить качество измерений.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Классификация средств измерений

Средство измерения (СИ) — это техническое средство (или комплекс технических средств), предназначенное для измерения, имеющее нормированные метрологические ха­рактеристики, воспроизводящие и (или) хранящие едини­цу физической величины, размер которой принимается неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени.

Под понятием «средство измерений» подразумеваются разнообразные устройства, которые реализуют одну из двух сле­дующих функций:

—воспроизводит величину заданного (известного) размера (например: гиря — заданную массу);

—вырабатывает сигнал (показание), несущий информацию о значении измеряемой величины. Показания СИ могут либо непосредственно восприниматься органами чувств человека (стрелочный прибор), либо они являются недоступными восприятию человеком и используются для преобразования другими СИ. В этом случае СИ должны содержать устройства, которые выполняют эти элементарные операции.

Средства измерения (СИ), используемые в различных областях науки и техники, чрезвычайно многообразны. СИ можно классифицировать по двум признакам — по конструктивному исполне­нию и по метро­логическому назначению.

По конструктивному исполнению СИ подразделяют на меры, измерительные преобразователи, измерительные при­боры, измерительные установки, измерительные системы.

Меры физической величины — СИ, предназначенные для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров. Различают меры: однозначные (гиря 1 кг, калибр); многозначные (масштаб­ная линейка); набор мер (набор гирь, магазин калибров). К однозначным мерам можно отнести стандартные образцы, характеризующие свойства и состав веществ и мате­риалов занимают стандартные образцы веществ и материа­лов.

В качестве стандартных образцов принято понимать об­разцы веществ или материалов, чей химический состав или физические свойства типичны для данной группы веществ или материалов, которые определены с необходимой точ­ностью, отличаются высоким постоянством и удостовере­ны сертификатом. По существу, стандартные образцы являются средствами измерений. Стандартные образцы используют для градуи­ровки, поверки и калибровки химического состава и свойств материалов. Стандартные образцы как меры с установлен­ной погрешностью применяются непосредственно для кон­троля качества продукции и сырья путем сличения.

Измерительные преобразователи — СИ, служащие для преобразования измеряемой величины в другую величину или сигнал измерительной информации, удобный для об­работки, хранения, дальнейших преобразований.

Измерительная установка — совокупность функцио­нально объединенных мер, измерительных приборов, изме­рительных преобразователей и других устройств, предназ­наченных для измерений одной или нескольких физичес­ких величин и расположенных в одном месте (например, испытательный стенд для контроля качества изделий).

Измерительная система — совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измеритель­ных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого простран­ства с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому пространству (например, ра­дионавигационная система).

Измерительный прибор — СИ, предназначенное для по­лучения значений измеряемой физической величины в ус­тановленном диапазоне. Прибор, как правило, содержит ус­тройство для преобразования измеряемой величины и ее индикации в форме, наиболее доступной для восприятия или регистрации (шкала, диаграмма с указателем и др.). В случае сопряжения прибора с мини-ЭВМ отсчет мо­жет производиться с помощью дисплея.

По метрологическому назначению все СИ подразде­ляются на два вида — рабочие СИ и эталоны.

Рабочие СИ, предназначены для проведения техничес­ких измерений. По условиям применения они могут быть:

—лабораторными, используемыми при научных исследованиях, проектировании технических устройств, медицинских измерениях;

—производственными, используемыми для контроля характеристик технологических процессов, контроля качества готовой продукции, контроля отпуска товаров,

—полевыми, используемыми непосредственно при эксплуатации самолетов, автомобилей, морских судов и т. п.

Эталоны являются высокоточными СИ, а поэтому ис­пользуются для проведения метрологических измерений в качестве средств передачи информации о размере единицы.

Эталон, утвержденный в качестве исходного для всей страны, называют государственным первичным эталоном. В целях проведения различных метрологических работ созда­ются вторичные эталоны: эталоны-свидетели, эталоны-ко­пии, эталоны-сравнения, рабочие эталоны.

Эталоны-свидетели предназначены для поверки сохран­ности и неизменности государственного эталона и для замены его в случае порчи или утраты. Эталоны-сравнения применя­ются для сличения эталонов, которые по каким-либо причинам не могут непосредственно сличаться друг с другом. Эталоны-копии используются для передачи размеров еди­ниц рабочим эталонам.

Наиболее распространенными эталонами (сотни тысяч единиц) являются рабочие эталоны. Рабочие эталоны раз­деляются по разрядам (1, 2, 3, иногда — 4). От рабочих эта­лонов низшего разряда размер передается рабочим сред­ствам измерения (РСИ). РСИ обладает различной точнос­тью измерений: точные РСИ при поверке получают размер от рабочих эталонов 1-го разряда; менее точные — от этало­нов низшего, 3-го или 4-го разряда. С помощью РСИ вы­полняются измерения при контроле качества продукции, осуществляется получение информации, необходимой для управления технологическими процессами, контролируют­ся характеристики инструмента и состояние оборудования.

Метрологические характеристики средств измерений

Метрологические характеристики средств измерений — это характеристики свойств, оказывающие влияние на ре­зультаты и погрешности измерений. Информация о назна­чении метрологических характеристиках приведена в до­кументации на средства измерений (в ГОСТе, в ТУ, в пас­порте). Метрологические характеристики, установленные нормативными документами, называют нормируемыми.

При установлении совокупности нормируемых метроло­гических характеристик для средств измерений конкретного вида необходимо использовать номенклатуру характеристик, регламентированных государственным стандартом ГОСТ 8.009—84 «ГСИ. Нормируемые метрологические характери­стики средств измерений». В этом стандарте приведены ре­комендации по выбору метрологических характеристик для различных видов СИ и критерий рациональности основных составляющих погрешности. Положения ГОСТ 8.009—84 гармонизированы с международными рекомендациями.

Все метрологические свойства (характеристики) можно разделить на две группы:

—свойства, определяющие область применения СИ;

—свойства, определяющие качество измерения.

Средства измерений могут иметь различные типы шкал измерений (рис.1).

Рис.1. Типы шкал измерений:

а, б, в, г – с равномерной шкалой,

д, е – с неравномерной логарифмической шкалой

Основными метрологическими характеристиками, оп­ределяющими свойства первой группы, являются диапазон измерений и порог чувствительности.

Диапазон измерений — область значений величины, в пре­делах которых нормированы допускаемые пределы погреш­ности. Значение величины, ограничивающее диапазон из­мерений снизу или сверху (слева и справа), называют соот­ветственно нижним или верхним пределом измерений.

Порог чувствительности — наименьшее изменение из­меряемой величины, которое вызывает заметное изменение выходного сигнала.

К метрологическим свойствам второй группы относятся три главных свойства, определяющих качество измерений: точность, сходимость и воспроизводимость измерений.

Точность — свойство измерений, отражающее близость их результатов к истинному значению измеряемой вели­чины. Высокая точность измерений соответствует малым погрешностям как систематическим, так и случайным. «Точность» и «погрешность» — понятия, во многом близ­кие друг другу.

Правильность — свойство измерений, отражающее бли­зость к нулю систематических погрешностей в их резуль­татах. Результаты измерений правильны, когда они не ис­кажены систематическими погрешностями.

Сходимость — свойство измерений, отражающее бли­зость друг другу результатов измерений, выполняемых в оди­наковых условиях, одним и тем же СИ, одним и тем же опе­ратором. Для методик выполнения измерений — это одна из важнейших характеристик.

Воспроизводимость — свойство измерений, отражающее близость друг к другу результатов измерений, выполняемых в различных условиях — в различное время, в разных мес­тах, разными методами и средствами измерений. В про­цедурах испытаний продукции воспроизводимость, как и сходимость, также является важнейшей характеристикой.

В практике применения средств измерений широко ис­пользуется такая характеристика, как класс точности.

Класс точности СИ — обобщенная характеристика, вы­ражаемая пределами допускаемых погрешностей, а также другими характеристиками, влияющими на точность. Классы точности конкретного типа СИ устанавливают в норма­тивных документах. При этом для каждого класса точности определяют конкретные требования к метрологическим ха­рактеристикам, в совокупности отражающим уровень точ­ности СИ данного класса.

Требования к назначению, применению и обозначению классов точности регламентированы в ГОСТ 8.401—80 «ГСИ. Классы точности средств измерений. Основные по­ложения». Этот стандарт гармонизирован с международны­ми рекомендациями.

Присваиваются классы точности СИ при их разработке ( по результатам приемочных испытаний). В связи с тем, что при эксплуатации их метрологические характеристики обычно ухудшаются, допускается понижать класс точности по результатам поверки (калибровки).

Таким образом, класс точности позволяет судить о том, в каких пределах находится погрешность измерений этого класса. Это необходимо знать при выборе СИ в зависимости от заданной точности будущих измерений.

Факторы, влияющие на результаты измерений

В метрологической практике при проведении измерений необходимо учитывать ряд факторов, влияющих на резуль­таты измерения. Это — объект и субъект измерения, сред­ство измерения и условия измерения.

Объект измерения должен быть чист от посторонних включений, если измеряется плотность вещества, свободен от влияния внешних помех (природные процессы, индустриальные помехи и т. п.). Сам объект не должен обладать внутренними помехами (работа самого объекта измерения).

Субъект измерения, т. е. оператор, привносит в резуль­тат «личностный» момент измерения, элемент субъективиз­ма. Он зависит от квалификации оператора, санитарно-гигиенических условий труда, психофизиологического состо­яния субъекта, от учета эргономических требований.

Метод измерения. Очень часто измерение одной и той же величины постоянного размера разными методами дает раз­личные результаты, причем каждый из них имеет свои не­достатки и достоинства. Искусство оператора состоит и том, чтобы соответствующими способами исключить или учесть факторы, искажающие результаты. Если измерение не уда­стся выполнить так, чтобы исключить или компенсировать какой-либо фактор, влияющий на результат, то в последний в ряде случаев вносят соответствующую поправку.

Влияние средства измерения на измеряемую величину во многих случаях проявляется как возмущающий фактор, например, внутрен­ние шумы измерительных электронных усилителей.

Другим фактором является инерционность СИ. Некоторые СИ дают постоянно завышенные или постоянно заниженные показания, что может быть результатом дефекта изготовления.

Условия измерения как влияющий фактор включают тем­пературу окружающей среды, влажность, атмосферное дав­ление, напряжение в сети и т. п.

Учет указанных факторов предполагает исключение ошибок и внесение поправок к измеренным величинам.

Погрешности измерений

Важной метрологической характеристикой любого средства измерения является точность измерений. Высокая точность измерений соответствует малым погрешностям как систематическим, так и случайным.

Погрешностью измерения называют отклонение результата измерения от истинного (идеального) значения измеряемой величины. Поскольку истинное значение величины неиз­вестно, то в метрологических работах вместо истинного зна­чения используют действительное, за которое принимают обычно показание эталонов.

Погрешность указывает границы неопределенности значе­ния измеряемой физической величины. Она характеризует точ­ность результатов измерений, проводимых данным средством. Погрешно­сти измерений обычно приводятся в технической документации на средства измерения или в нормативных документах.

Существуют различные классификации погрешностей измерения (рис.2.):

По источникам возникновения погрешности подразде­ляют на инструментальные (обусловлены свойствами средств измерений), методические (возникают вследствие несовер­шенства принятого метода измерений, допущений и упро­щений при использовании эмпирических зависимостей и др.) и субъективные (погрешности оператора).

По характеру проявления погрешности измерений под­разделяют на систематические и случайные. Систематическая погрешность остается постоянной или изменяется по определенному закону при повторных изме­рениях одной и той же величины. По характеру изменения во времени систематические погрешности подразделяют на постоянные и временные. Случайная погрешность изменя­ется случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины. В отличие от систематической ее нельзя исключить из результатов измерений, однако ее значение может быть уменьшено в результате специальных способов обработки результатов измерений.

По условиям измерения погрешности измерений под­разделяют на основные и дополнительные. Основная погрешность - погрешность, определяемая в нормальных условиях применения средств измерения. Дополнительная погрешность средств измерения - составляющая погрешности средств измерения, дополнительно возникающая вследствие отклонения какой-либо из влияющих величин (температуры, относительной влажности, напряжения сети переменного тока и пр.) от ее нормального значения.

По форме числового выражения погрешности измерений подразделяются на абсолютные и относительные.

Погрешность, найденная как разность между показаниями средства измерения (Хn) и истинным (действительным) значением измеряемой физической величины (Х0) является абсолютной (ΔХn):

ΔХn =Хn - Х0 (1)

Однако в большей степени точность средства измерения характеризует относительная погрешность (δ), то есть выраженное в % отношение абсолютной погрешности к действительному значению величины. Измеряемой или воспроизводимой данным средством измерения:

(2)

Точность может быть выражена обратной величиной относительной погрешности – 1/ δ.

Для определения погрешности серии измерений вводят понятие средней квадратичной погрешности (отклонения). Среднее квадратическое отклонение – это характеристика рассеяния результатов измерений одной и той же величины вследствие влияния случайных погрешностей. Применяется для оценки точности первичных и вторичных эталонов. Она представляет среднюю квадратическую погрешность результата измерений, состоящую из случайных и неисключенных систематических· погрешностей.

Рис.2. Основные виды погрешностей измерения

Средним квадратичным отклонением (σ) называется квадратный корень из среднего арифметического всех квадратов разностей между данными числами и их средним арифметическим (Х):

(3)

Где (4)

Оценка погрешности измерений средств измерения, используемых для определения показателей качества товаров, определяется спе­цификой применения последних. Например, погрешность из­мерения цветового тона керамических плиток для внутренней отделки жилища должна быть, по крайней мере· на порядок ниже, чем погрешность измерения аналогичного показателя серийно выпускаемых картин, сделанных цветной фотопеча­тью; Дело в том, что разнотонность двух наклеенных рядом на стену кафельных плиток будет бросаться в глаза, тогда как разнотонность отдельных экземпляров одной картины замет­но не проявится, так как они используются разрозненно.

Лабораторная работа №1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

Цель работы: научиться рационально подбирать необходимые для работы средства измерения, определять их метрологические характеристики и условия эксплуатации.

Методика выполнения работы:

1.  Изучить классификацию средств измерений и их метрологические характеристики. Законспектировать основные понятия.

2.  Познакомиться с приборами для измерения содержания веществ в растворах, освещенности помещений, уровня электромагнитного облучения. Проанализировать паспорта на оборудование.

3.  Определить основные метрологические характеристики оборудования.

4.  Занести метрологические характеристики средств измерения в таблицу 1.

Таблица 1:

Основные метрологические характеристики оборудования

Наименование метрологических характеристик	Величины метрологических характеристик

5. Сделать вывод по работе.

Лабораторная работа №2

ИЗУЧЕНИЕ МЕТОДИК ОБРАБОТКИ

РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

Цель работы: научиться обрабатывать результаты измерений физических величин различными средствами измерений и определять их погрешность.

Методика выполнения работы:

1.  Изучить и законспектировать основные понятия.

2.  Измерить различными средствами измерений значения физических величин в соответствии с заданиями 1 или 2.

3.  Рассчитать значение абсолютной, относительной погрешности и среднеквадратического отклонения измеренной величины от действительной для различных средств измерения по формулам 1-4.

4.  Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 2.

Таблица 2:

Результаты измерений и вычислений

Действи-тельное значение (Х0)	Найденное значение (Хn)	Значение погрешностей
Абсолютная погрешность (ΔХn)	Относительная погрешность (δ)	Средне-квадратическое отклонение (σ)

5.  Сделать вывод по работе.

Задание 1:

Определение погрешностей измерений

размеров физических объектов

1.  Нарисовать на листе белой бумаги квадрат размерами 10×4 см и вырезать.

2.  Измерить различными средствами измерений (линейками, штангенциркулем) его стороны.

3.  Рассчитать значение абсолютной, относительной погрешности и среднеквадратического отклонения измеренной величины от действительной для различных средств измерений.

4.  Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 2.

5.  Сделать вывод по работе.

Задание 2:

Определение погрешностей измерений кислотности растворов

1.  Приготовить растворы с различным значением кислотности:

1.1.Отмерить цилиндром 50 мл дистиллированной воды в колбу емкостью 100 мл. Добавить в воду по каплям с постоянным перемешиванием 2 мл концентрированной серной кислоты.

1.2. Отмерить цилиндром 50 мл дистиллированной воды в колбу емкостью 100 мл. Добавить в воду 1 г NaOH и тщательно перемешать.

2.  Измерить кислотность растворов с помощью преобразователя ионометрического И-500 (истинное значение кислотности раствора) и с помощью лакмусовой бумаги.

3.  Рассчитать значение абсолютной, относительной погрешности и среднеквадратического отклонения измеренной величины от действительной для различных методов измерения.

4.  Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 2.

Задание 3:

Определение погрешностей измерений плотности растворов

1.  Приготовить растворы с различной концентрацией:

1.1.Отмерить цилиндром 50 мл дистиллированной воды в колбу емкостью 100 мл. Добавить навеску NaOH в количестве 2,5 г (5% раствор) (истинная плотность раствора при 200С, согласно справочнику Химика, составляет 1,051 кг/л)

1.2. Отмерить цилиндром 50 мл дистиллированной воды в колбу емкостью 100 мл. Добавить навеску NaOH в количестве 10 г (20% раствор) (истинная плотность раствора при 200С, согласно справочнику Химика, составляет 1,218 кг/л)

2.  Взвесить колбу с раствором на аналитических весах и на основании найденного значения массы определить плотность раствора по формуле 5:

ρ = m / V (5)

3.  Измерить плотность растворов с помощью ареометра марки АОН-1 (диапазон обнаружения составляет 0,7…1,84 г/л) .

4.  Рассчитать значение абсолютной, относительной погрешности и среднеквадратического отклонения измеренной величины от истинной для различных методов измерения плотности растворов.

5.  Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 2.

Вопросы для самопроверки:

1. Что такое средство измерения.

2. По каким признакам классифицируются средства измерения.

3.Как различаются средства измерения по конструкционному исполнению.

4. Как различаются средства измерения по метрологическому назначению.

5. Какие существуют типы шкал измерений.

6. Какие существуют типы рабочих средств измерения.

7. Приведите метрологические свойства средств измерений.

8. Что характеризует точность средств измерений.

9. Что характеризует погрешность измерений.

10. Какие факторы влияют на результаты измерений

11.Абсолютная погрешность, ее определение.

12. Относительная погрешность, ее определение.

13. Среднеквадратичное отклонение, его определение.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.  , Канке , стандартизация, сертификация.- М.: ИД «ФОРУМ»: ИНФРА-М, 2009. – 416 с.

2.  Крылова стандартизации, сертификации, метрологии: Учебник для вузов. – 3-е изд., перераб. И доп. – М.: ЮНИТИ – ДАНА, 2007. – 671 с.

3.  Пронкин метрологии: практикум по метрологи и измерениям: учеб. пособие для вузов. – М.: Логос; Университетская книга, 2007. – 392 с.

4.  Аристов , стандартизация и сертификациия. М.: Академия, 200с.

5.  , Яцук , стандартизиция и сертификация. М.: Высшая школа, 200с.

6.  Гончаров , стандартизация и сертификациия. М.: Академия, 200с.

7.  Пронкин метрологии. М.: Логос, 20с.

8.  Гугелев , метрология и сертификация, М.: Высшая школа, 200с.

9.  Радкевич , стандартизация и сертификация: Учебник для ВУЗов – М.: Высшая школа, 200с.

10.  Сборник основных нормативно-правовых документов по охране окружающей среды : Под ред ; Изд-во «Саратов» - Саратов, 2006. – 352 с.

11.  Басаков стандартизации, метрологии, сертификации. Экспресс-справочник для студентов вузов и колледжей. –М.:ИКЦ Март; Ростов н/Д: Издательский центр Март, 200с.

12.  , Иванова стандартизации, метрологии, сертификации: Учебник / Серия «Высшее образование». – Ростов н/Д: Феникс, 2004. – 448 с.

13.  , Епифанов метрологии, стандартизации и, сертификации. – М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2005. – 96 с. – (Профессиональное образование)

14.  Гриф , эффективность и основы сертификации машин и услуг. Монография \ М.: Изд-во АСВ, 2004. – 448 с.

ИЗУЧЕНИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ И МЕТОДИК ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Метрология. Стандартизация. Сертификация»

для студентов специальности 280201.65 «Охрана окружающей среды

и рациональное использование природных ресурсов»

Составили: ЛАЗАРЕВА Елена Николаевна

ДАНИЛОВА Елена Анатольевна

Рецензент

Редактор  

Подписано в печать Формат 60х84 1/16

Бум. тип. Усл. печ. л 0,93 (0,1) Уч.-изд. л. 0,9

Тираж 100 экз. Заказ Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

Саратов, Политехническая ул., 77

Отпечатано в РИЦ СГТУ. Саратов, Политехническая ул., 77