Тема 2. Качество измерений и способы его достижения

Тема: «Качество измерений и способы его достижения».

По строке КУПД: всего 2 ч; лекции 0,5 ч; лабораторно-практические занятия 1 ч. Поскольку эти графы арифметически не дают 2 ч, в портале сохраняется только явно указанное распределение 0,5 ч теории + 1 ч практики.

Учебные вопросы

1. Основные и производные физические величины.

2. Классификация физических величин; качественные и количественные характеристики.

3. Единица физической величины и измерение.

4. Эталоны единиц СИ и передача размера единицы.

5. Поверочные схемы и стандартные образцы.

6. Классификация измерений, характеристики и критерии качества.

7. Методы и методики измерений.

8. Обеспечение единства измерений; понятие и виды контроля.

Граница темы: подробные классы точности, виды погрешностей и обработка результатов относятся к теме 3.

1. Основные и производные физические величины

Физическая величина — одно из свойств физического объекта (явления, процесса), общее в качественном отношении для многих объектов, но индивидуальное в количественном для каждого из них.

Основная величина — величина, входящая в систему величин и условно принятая в качестве независимой от других величин этой системы. В любой когерентной системе единиц существует только одна основная единица для каждой основной величины.

Производная величина — величина, входящая в систему величин и определяемая через основные величины этой системы. Производная единица — единица измерения для производной величины.

Размерность — выражение, показывающее связь производной величины с основными величинами системы. Например, скорость имеет размерность L⋅T−1L⋅T−1, сила — L⋅M⋅T−2L⋅M⋅T−2.

В СИ семь основных величин: длина, масса, время, сила электрического тока, термодинамическая температура, количество вещества, сила света.

Производные величины: площадь, объём, скорость, ускорение, сила, давление, работа, мощность, электрический заряд, напряжение, сопротивление и др. Производные единицы образуются из основных с помощью уравнений связи между единицами.

2. Классификация физических величин; качественные и количественные характеристики

По роду (качественной определённости):

• Однородные — величины, которые можно сравнивать друг с другом (например, длина и диаметр детали).

• Неоднородные — величины, которые нельзя сравнивать напрямую (например, длина и масса).

По размерности:

• Размерные — величины, в размерность которых основные величины входят с ненулевыми показателями степени.

• Безразмерные — величины, в размерность которых основные величины входят в степени, равной нулю.

По количественной определённости:

• Величины с определённым размером (значением);

• Величины с неопределённым размером (например, случайные).

Качественная характеристика величины — это её род, позволяющий отличать одну величину от другой.
Количественная характеристика — это размер величины, выражаемый числом с указанием единицы.

Шкалы измерений:

• Метрические (физические): шкалы разностей, отношений, абсолютные.

• Условные: шкалы наименований и порядка (например, шкала Мооса, шкала Рихтера).

3. Единица физической величины и измерение

Единица величины — величина фиксированного размера, которой присвоено числовое значение, равное 1, определяемая и принимаемая по соглашению для количественного выражения однородных с ней величин.

Система единиц — совокупность основных и производных единиц вместе с их кратными и дольными единицами, определёнными в соответствии с установленными правилами.

Измерение — совокупность операций, выполняемых для определения значения величины. Результат измерения — значение величины, полученное путём её измерения.

Уравнение связи между единицами — математическое соотношение, связывающее основные единицы, когерентные производные единицы или другие единицы измерения.

Кратные и дольные единицы образуются с помощью приставок СИ (от йокто 10−2410−24 до йотта 10241024).

4. Эталоны единиц СИ и передача размера единицы

Эталон единицы величины — средство измерений (или комплекс средств измерений), обеспечивающее воспроизведение и хранение единицы физической величины для передачи её размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений.

Виды эталонов по приоритету:

Передача размера единицы осуществляется по поверочной схеме — сверху вниз: от первичного эталона к вторичным, от них — к рабочим эталонам, от рабочих — к рабочим средствам измерений.

Государственный первичный эталон хранится в государственных научных метрологических институтах (ВНИИМ, ВНИИФТРИ и др.).

5. Поверочные схемы и стандартные образцы

Поверочная схема — документ, устанавливающий порядок передачи размера единицы величины от исходного эталона к рабочим средствам измерений с указанием методов и погрешностей передачи.

Виды поверочных схем:

Структура поверочной схемы: исходный эталон → вторичные эталоны → рабочие эталоны → рабочие СИ. Передачу размеров изображают сплошными линиями, соединяющими объекты поверки с соответствующими средствами.

Стандартный образец (СО) — средство измерений в виде вещества (материала), состав или свойства которого установлены при аттестации. Применяется для передачи размера единицы, поверки и калибровки СИ, контроля правильности измерений.

Виды СО:

• СО состава — аттестованы по содержанию компонентов;

• СО свойств — аттестованы по физическим свойствам (например, твёрдость, магнитная проницаемость).

СО утверждённого типа включаются в Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений.

6. Классификация измерений, характеристики и критерии качества

По характеристике точности:

• Равноточные — измерения, выполненные одинаковыми по точности СИ в одинаковых условиях.

• Неравноточные — измерения, выполненные СИ разной точности или в разных условиях.

По числу измерений:

• Однократные — одно измерение одной величины.

• Многократные — ряд измерений одной величины.

По отношению к изменению измеряемой величины:

• Статические — величина принимается неизменной на протяжении измерения.

• Динамические — величина изменяется в процессе измерения.

По метрологическому назначению:

• Технические — не связаны с передачей размера единицы.

• Метрологические — связаны с передачей размера единицы.

По способу получения результата:

• Прямые — значение определяется непосредственно по показаниям СИ.

• Косвенные — значение вычисляется по результатам прямых измерений других величин.

• Совокупные — решение системы уравнений по результатам измерений нескольких однородных величин.

• Совместные — одновременные измерения нескольких неоднородных величин.

Критерии качества измерений:

7. Методы и методики измерений

Метод измерений — приём или совокупность приёмов сравнения измеряемой величины с её единицей в соответствии с реализованным принципом измерений.

Классификация методов измерений:

По приёмам получения результата:

• Метод непосредственной оценки — значение определяется по отсчётному устройству СИ.

• Метод сравнения с мерой — измеряемая величина сравнивается с мерой.

Виды метода сравнения с мерой:

• Нулевой метод — результирующий эффект доводится до нуля.

• Дифференциальный метод — измеряется разность между величиной и мерой.

• Метод замещения — измеряемая величина замещается известной величиной.

• Метод совпадения — совмещение отметок шкал.

• Метод противопоставления — величина и мера одновременно воздействуют на прибор сравнения.

По условиям измерения:

• Контактный — чувствительный элемент СИ соприкасается с объектом.

• Бесконтактный — без соприкосновения.

Методика измерений — конкретно описанная совокупность операций, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с установленными показателями точности.

Аттестация методик измерений — исследование и подтверждение соответствия методик установленным метрологическим требованиям. Проводится в соответствии с ФЗ № 102 и ГОСТ Р 8.563-2009.

8. Обеспечение единства измерений; понятие и виды контроля

Единство измерений — состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах, а погрешности известны с заданной вероятностью. Правовая основа — Федеральный закон от 26.06.2008 № 102-ФЗ «Об обеспечении единства измерений».

Сфера государственного регулирования распространяется на измерения, к которым установлены обязательные метрологические требования.

Формы государственного регулирования (ст. 11 102-ФЗ):

• утверждение типа стандартных образцов или типа средств измерений;

• поверка средств измерений;

• метрологическая экспертиза;

• федеральный государственный метрологический контроль (надзор).

Виды государственного метрологического контроля:

• утверждение типа средств измерений;

• поверка средств измерений;

• лицензирование деятельности по изготовлению и ремонту СИ.

Виды государственного метрологического надзора:

• надзор за состоянием и применением СИ;

• надзор за аттестованными методиками выполнения измерений;

• надзор за эталонами единиц величин;

• надзор за соблюдением метрологических правил и норм.

Метрологический контроль — совокупность действий, подтверждающих, что СИ пригодны к применению и дают достоверные результаты. Включает проверку соответствия единиц величин, состояния эталонов, СО и СИ обязательным требованиям.