ВОПРОС 15 Понятие о методах и средствах измерений

1. Виды методов измерений

2. Характеристика средств измерений Ъ. Выбор средств измерений

1. Под методом измерений понимают специальный прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений.

По способу получения числового значения измеряемой величины все измерения классифицируются на два основных вида: прямые и косвенные.

Прямыми называются измерения, при которых искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных (например, измерение массы на весах, температуры — термометром, длины — с помощью линейных мер). Косвенными называются измерения, при которых искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, которые подвергаются прямым измерениям (например, определение электрического сопротивления по результатам измерения падения напряжения и силы тока).

Прямые измерения величин можно производить следующими методами: метод непосредственной оценки — значение величины определяют непосредственно по отсчетно-му устройству измерительного прибора; измерение массы — циферблатными весами, силы электрического тока — амперметром. Метод сравнения с мерой — измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой, например, измерение массы рычажными весами с уравновешиванием гирями. Нулевой метод — метод сравнения с мерой, когда результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля, например, измерение электрического сопротивления мостом с полным его уравновешиванием.

Существует ряд других методов (дифференциальный метод, метод сравнений, метод заменения и т. д.).

Выше приводилось понятие средства измерения. Приведем это понятие в более широком контексте.

СИ — это средство, предназначенное для измерений, вырабатывающее сигнал (показание), несущий информацию о значении измеряемой величины, или воспроизводящее величину заданного (известного) размера. СИ представляют собой конструктивно законченные изделия (мера, калибр, измерительный прибор, измерительная система), предназначенные для измерений и осуществляющие одну из двух основных функций: воспроизведение физической величины заданного размера или преобразование измерительного сигнала одного вида (размера) в другой, например в форму, позволяющую наблюдателю воспринимать значение измеряемой величины. Система воспроизведения единиц физических величин и передачи информации об их размерах всем без исключения СИ составляет техническую базу обеспечения единства измерений в стране.

СИ, обеспечивающее воспроизведение единицы величины с максимально возможной точностью и ее хранение для передачи размера другим СИ, выполненное по особой спецификации и официально утвержденное, называется эталоном. 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 (рис. 2). С помощью РСИ выполняются измерения при контроле качества продукции, осуществляется получение информации, необходимой для управления технологическими процессами, контролируются характеристики инструмента и состояние оборудования.

Передача информации о размере единиц осуществляется методами непосредственного сличения, а также сличения с помощью компаратора[2].

Непосредственное сличение применяют, как правило, для менее точных мер, например штриховых мер длины — линеек, рулеток, а также для мер вместимости — бюреток, пипеток, мерных колб и т. п. Для более точной поверки используют приборы сравнения — компарирующие устройства.

Процесс передачи размера единиц осуществляется при поверке и калибровке СИ. Поверка и калибровка представляют собой совокупность операций, выполняемых с целью определения и подтверждения соответствия СИ документально установленным техническим требованиям.

Суть поверки средств измерений заключается в нахождении погрешности СИ и установлении его пригодности к применению. По содержанию поверка СИ — это совокупность операций, выполняемых органами государственной метрологической службы или другими уполномоченными организациями с целью определения и подтверждения соответствия СИ установленным техническим требованиям. Процедура поверки регламентируется нормативными документами.

Поверка носит обязательный характер и проводится в отношении СИ, которые применяются в установленных Законом РФ «Об обеспечении единства измерений» сферах: здравоохранение, охрана окружающей среды, обеспечение обороны государства и др.

Калибровка средств измерений — комплекс операций, осуществляемых с целью определения и подтверждения действительных значений характеристик и (или) пригодности к применению СИ, не подлежащих государственному метрологическому контролю и надзору.

В ст. 23 Закона «Об обеспечении единства измерений» указывается на добровольный характер и область применения калибровки: «Средства измерений, не подлежащие проверке, могут подвергаться калибровке при выпуске из производства или ремонта, при ввозе по импорту, при эксплуатации, прокате и продаже».

Калибровка может осуществляться метрологической службой юридического лица или любой другой аккредитованной на право проведения калибровочных работ организацией. СИ, прошедшие калибровку, удостоверяются калибровочным знаком или соответствующим сертификатом.

Соподчинение государственного эталона, вторичных эталонов и рабочих средств измерений определено государственной поверочной схемой.

Поверочная схема — это утвержденный документ, устанавливающий средства, методы и точность передачи размеров единиц от государственного эталона рабочим средствам измерений.

Различают государственные и локальные поверочные схемы.

Государственные поверочные схемы определяются государственными стандартами и распространяются на все СИ данного вида; локальные поверочные схемы предназначены для метрологических органов министерств и метрологических служб юридических лиц и должны соответствовать требованиям соподчиненности, определяемой государственной поверочной схемой.

Важное место в воспроизведении единиц величин, характеризующих 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 служат для поддержания единства измерений, иначе говоря, являются средствами измерений. Стандартные образцы используют для градуировки, поверки и калибровки химического состава и свойств материалов — механических, тепловых, оптических и др. Стандартные образцы как меры с установленной погрешностью применяются непосредственно для контроля качества продукции и сырья путем сличения.

При выборе средств измерений основными метрологическими характеристиками СИ считаются диапазон измерений, точность измерений, трудоемкость и стоимость контроля качества объекта измерения.

Диапазон измерений — область значений величины, в пределах которых нормированы допускаемые пределы погрешности.

Точность измерений определялась выше (см. вопрос 14.2). Здесь скажем, что точность СИ должна быть достаточно высокой по сравнению с заданной точностью выполнения измеряемого размера, а трудоемкость измерений и их стоимость должны быть возможно более низкими, обеспечивающими экономичность процесса измерения.

Излишняя точность измерений ведет к повышению трудоемкости и стоимости измерений, а недостаточная точность нередко приводит к тому, что часть годной продукции при контроле качества может быть забракована и наоборот фактически негодная продукция может быть принята как годная.