Епифанов В.Н. Краткий курс метрологии, стандартизации и сертификации

Подождите немного. Документ загружается.

Окончание таблицы 1

37 Мегаомметры и измерители заземления: М1101, М1603,

М4100, МС-05, М416, М1103, МС-08, Ф4103, М371, М372

и т.п.

1 раз в год

38 Омметры, миллиомметры, микроомметры 1 раз в год

39 Приборы комбинированные (тестеры) АВО-5М, ТЛ-4, Ц20,

315, 435, 4312, 4313, 4315, 4317, 4323, 324, 4340, 4341,

4342, 4352, 4353, 4354, 4360, 4380 и т.п.

1 раз в 2 года

40 Счетчики электроэнергии индукционные 3-фазные 1 раз в 4 года

41 Трансформаторы тока измерительные 1 раз в 8 лет

2.2. Основные понятия

Каждый предмет, тело, процесс, явление обладают определенными свойст-

вами. Некоторые из них могут быть оценены количественно, а некоторые – только

качественно. Например, у человека рост, масса тела, кровяное давление выража-

ются количественно в метрах, килограммах, миллиметрах ртутного столба, а доб-

рота, красота, жадность – только качественно: добрый, красивый, жадный.

Физической величиной называется свойство объекта, явления или процесса,

которое может быть измерено и выражено количественно в некоторых единицах

измерения.

Измерением называют совокупность операций, выполняемых с помощью

технического средства, хранящего единицу величины и позволяющего сопоста-

вить с нею измеряемую величину. Полученное значение величины и есть резуль-

тат измерений.

Одна из главных задач метрологии – обеспечение единства измерений – мо-

жет быть решена при соблюдении двух условий:

• выражение результатов измерений в единых узаконенных единицах;

• установление допустимых погрешностей результатов измерений и преде-

лов, за которые они не должны выходить при заданной вероятности.

Погрешностью называют отклонение результата измерения от действитель-

ного (истинного) значения измеряемой величины.

Измерения различают по способу получения информации, по характеру из-

менений измеряемой величины в процессе измерений, по количеству измеритель-

ной информации, по отношению к основным единицам.

По способу получения информации измерения разделяют на прямые и кос-

венные.

Прямые измерения – это непосредственное сравнение физической величины

с ее мерой. Например, измерение силы тока амперметром, температуры – термо-

метром.

Косвенные измерения отличаются от прямых тем, что искомое значение ве-

личины устанавливают по результатам прямых измерений таких величин, кото-

рые связаны с искомой определенной зависимостью. Так, если требуется изме-

рить площадь прямоугольника, то прямыми измерениями определяют его длину и

ширину. Площадь прямоугольника вычисляется по известной формуле и является

результатом косвенного измерения.

Во многих современных приборах такие расчеты выполняют встроенные вы-

числительные устройства, а результат косвенного измерения представляется на

дисплее. Так, лазерным дальномером DISTO измеряется длина, ширина и высота

помещения, а результат измерения площади и объема считывается с дисплея.

Аналогичная обработка информации и цифровая индикация показаний использу-

ется в склерометре ОНИКС-2.4, где по высоте отскока ударника определяется

прочность бетона.

По характеру изменения измеряемой величины в процессе измерений быва-

ют динамические и статические измерения.

Статические измерения имеют место тогда, когда измеряемая величина

практически постоянна.

Динамические измерения связаны с величинами, которые в процессе измере-

ний претерпевают те или иные изменения.

По количеству измерительной информации различают однократные и много-

кратные измерения.

Однократные измерения – это одно измерение одной величины, т.е. число

измерений равно числу измеряемых величин. Практическое применение такого

вида измерений всегда сопряжено с большими погрешностями.

Многократные измерения характеризуются превышением числа измерений

количества измеряемых величин. Число измерений в данном случае должно быть

больше двух. Преимущество многократных измерений – значительное снижение

влияния случайных факторов на погрешность измерения.

2.3. Международная система единиц (СИ)

Единица физической величины – это размер физической величины, которому

по определению придано значение, равное единице.

Основные единицы устанавливают или выбирают таким образом, чтобы,

пользуясь закономерной связью между величинами, можно было образовать еди-

ницы других величин.

Производные единицы – это единицы, выраженные через основные единицы.

Система единиц физических величин – это полная совокупность основных и

производных единиц.

Наличие ряда систем единиц физических величин, действовавших в мире в

первой половине ХХ века, и большое число внесистемных единиц вызывали зна-

чительные неудобства, связанные с пересчетами при переходе от одной системы к

другой. Возникла необходимость создания единой универсальной системы еди-

ниц, которая охватывала бы все отрасли науки и техники и была бы принята в

международном масштабе.

В результате большой работы, выполненной Международным комитетом мер

и весов по опросу научных, технических и педагогических кругов многих стран, и

обобщения результатов опроса, а также в результате работы 9, 10 и 11-й Гене-

ральных конференций по мерам и весам (1948, 1954, 1960 гг.) в 1960 г. была при-

нята Международная система единиц (System International), или сокращенно СИ

(SI).

Международная система единиц физических величин является наиболее со-

вершенной и универсальной из всех существовавших до настоящего времени. Она

охватывает физические величины механики, электродинамики, термодинамики и

оптики, которые связаны между собой физическими законами. Преимущества

системы СИ настолько сильны, что она за короткое время получила широкое ме-

ждународное признание и распространение. На систему СИ перешли и те страны,

в которых ранее использовалось значительное количество национальных единиц

(Австралия, Англия, Канада).

2.3.1. Основные, дополнительные и другие единицы СИ

Международная система единиц содержит семь основных единиц: длины –

метр, массы – килограмм, времени – секунда, силы электрического тока – ам-

пер, термодинамической температуры – кельвин, силы света – кандела, количест-

ва вещества – моль.

При расчетах, если значения всех величин выражены в единицах СИ, в

формулы не требуется вводить коэффициенты, зависящие от выбора единиц.

Метр – расстояние, проходимое светом в вакууме за 1/299 792 458 долю секун-

ды.

Килограмм – единица массы, равная массе международного прототипа кило-

грамма, хранимого в Международном бюро мер и весов.

Секунда_– интервал времени, в течение которого совершается 9192631770

колебаний, соответствующих резонансной частоте энергетического перехода

между уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133

при отсутствии возмущения внешними полями.

Ампер – сила неизменяющегося электрического тока, который, проходя по

двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ни-

чтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от

другого в вакууме, создает между этими проводниками силу, равную 2

-7

Н на

каждый метр длины.

Кельвин – единица термодинамической температуры, равная 1/273,16 части

термодинамической температуры тройной точки воды.

Кандела – сила света в заданном направлении источника, испускающего мо-

нохроматическое излучение частотой 540

Гц, энергетическая сила излучения

которого в этом направлении составляет 1/683 Вт

ср

-1

Моль – количество вещества системы, содержащей столько же структурных

элементов, сколько атомов содержится в 0,012 кг углерода-12.

Основные единицы СИ приведены в табл. 2.

Таблица 2

Основные единицы СИ

Обозначение

Величина

Единица изме-

рения

русское международ-

ное

Длина Метр м m

Масса Килограмм кг kg

Время Секунда с s

Сила электрического тока Ампер А А

Термодинамическая

температура

Кельвин К К

Сила света Кандела кд cd

Количество вещества Моль моль mol

Международная система единиц включает в себя две дополнительные еди-

ницы: плоского угла – радиан; телесного угла – стерадиан.

Угловые единицы не могут быть введены в число основных, так как это вы-

звало бы затруднение в трактовке размерностей величин, связанных с вращени-

ем (дуги окружности, площади круга, работы пары сил и т.д.). Вместе с тем они

не являются и производными единицами, так как не зависят от выбора основных

единиц. Действительно, при любых единицах длины размеры радиана и стера-

диана остаются неизменными.

Радиан – угол между двумя радиусами окружности, дуга между которыми по

длине равна радиусу. Один радиан составляет 57°17'44,8".

Стерадиан – телесный угол, вершина которого расположена в центре сферы

и который вырезает на сфере поверхность, площадь которой равна площади

квадрата со стороной, по длине равной радиусу сферы.

Измеряют телесные углы путем определения плоских углов и проведения

дополнительных расчетов по формуле

Ω = 2

(1– соs

/2),

где – телесный угол;Ω

– плоский угол при вершине конуса, образованного

внутри сферы данным телесным углом.

Телесному углу 1 ср соответствует плоский угол, равный 65°32'; углу

ср –

плоский угол, равный 120°; углу 2

ср – плоский угол, равный 180°.

Дополнительные единицы СИ использованы для образования единиц угловой

скорости, углового ускорения и некоторых других величин.

Дополнительные единицы СИ приведены в табл. 3.

Таблица 3

Дополнительные единицы СИ

Обозначение

Величина

Единица изме-

рения

ру

сское межд

на

одное

Плоский угол Радиан рад rad

Телесный угол Стерадиан ср sr

На практике плоские углы измеряют, как правило, в угловых градусах,

минутах, секундах, которые разрешено использовать.

Производные единицы системы СИ образуются на основании законов, ус-

танавливающих связь между физическими величинами, или на основании оп-

ределений физических величин. Соответствующие производные единицы СИ

выводятся из уравнения связи между величинами (определяющего уравнения),

выражающего данный физический закон или определение, если другие величи-

ны выражаются в единицах СИ. Семнадцать производных единиц, имеющих соб-

ственные наименования, приведены в табл. 4.

Таблица 4

Производные единицы СИ, имеющие собственные наименования

Величина

Единица

измерения

Обозначение

Выражение через

другие единицы

Частота Герц Гц с

-1

Сила Ньютон Н м·кг·с

-2

Давление Паскаль Па Н/м

Энергия, работа, коли-

чество теплоты

Джоуль Дж Н·м

Мощность Ватт Вт Дж/с

Количество электри-

чества, электриче-

ский заряд

Кулон

Кл

А·с

Электрическое напря-

жение

Вольт В Вт/А

Электрическая емкость Фарад Ф Кл/В

Электрическое сопро-

тивление

Ом Ом В/А

Электрическая прово-

димость

Сименс См А/В

Окончание таблицы 4

Величина

Единица

измерения

Обозначение

Выражение через

другие единицы

Поток магнитной ин-

дукции

Вебер Вб В·с

Магнитная индукция Тесла Тл Вб/м

Индуктивность Генри Гн Вб/А

Световой поток Люмен Лм –

Освещенность Люкс Лк –

Активность нуклида Беккерель Бк с

-1

Доза излучения Грэй Гр м

·с

-2

Наравне с основными и производными единицами СИ допускается также

применение некоторых внесистемных единиц, не входящих ни в одну из приня-

тых систем (табл. 5).

Таблица 5

Внесистемные единицы, допускаемые к применению

наравне с единицами СИ

Величина

Единица изме-

рения

Обозна-

чение

Соотношение с единицей СИ

Масса Тонна

Атомная

единица массы

а.е.м.

кг

1, 66057·10

-27

кг

(приблизительно)

Время Минута

Час

Сутки

мин

сут

60 с

3600 с

86400 с

Плоский угол Градус

Минута

Секунда

(

/180) рад = 1,745329·10

-2

рад

(

/10 800) рад = 2,908882·10

-4

рад

(

/648000) рад = 4,848137·10

-6

рад

Объем Литр л 10

-3

Длина

Астрономическая

единица

Световой год

Парсек

а. е.

св. год

пк

1,45598·10

(приблизительно)

9,4605·10

м (приблизительно)

3,0857·10

м (приблизительно)

Окончание таблицы 5

Величина

Единица изме-

рения

Обозна-

чение

Соотношение с единицей СИ

Оптическая

сила

Диоптрия дптр 1 м

-1

Площадь Гекта

га 10000 м

Энергия Электрон-вольт э·В 1,60219·10

-19

Дж

(

иблизительно

)

Полная

мощность

Вольт-ампер В·А —

Реактивная

мощность

Вар вар —

Десятичные кратные и дольные единицы от единиц СИ образуются путем

присоединения приставок, взятых из латинского, греческого и датского языков.

Множители и приставки для образования десятичных кратных и дольных единиц

в СИ и их обозначения приведены в табл. 6.

Таблица 6

Множители и приставки для образования десятичных кратных

и дольных единиц в системе СИ

Обозначение

Мно-

жи-

тель

При-

ставка

русское

между-

народное

Мно-

житель

При-

ставка

русское

между-

народ-

ное

Экса Э E 10

-1

Деци д d

Пета П P 10

-2

Санти с c

Тера Т T 10

-3

Милли м m

Гига Г G 10

-6

Микро мк

Мега М M 10

-9

Нано н n

Кило к k 10

-12

Пико п p

Гекто г h 10

-15

Фемто ф f

Дека да da 10

-18

Атто а a

2.4. Средства измерений

Для практического измерения значения величины применяются технические

средства, которые имеют нормированные погрешности и называются средствами

измерений. К средствам измерений относятся: меры, измерительные преобразова-

тели, измерительные приборы, измерительные установки и системы.

Мерой называют средство измерения, предназначенное для воспроизведения

физической величины заданного размера. Мерами являются, например, гири,

шкалы линеек, рулеток, угломеров.

Измерительные преобразователи – это средства измерений, которые служат

для преобразования сигналов измерительной информации в форму, удобную для

обработки или хранения, а также передачи в показывающие устройства. Измери-

тельные преобразователи либо входят в конструктивную схему измерительного

прибора, либо применяются совместно с ним, но сигнал преобразователя не под-

дается непосредственному восприятию наблюдателем. Например, преобразова-

тель может быть необходим для передачи информации в память компьютера, для

усиления напряжения и т. д. Преобразуемую величину называют входной, а ре-

зультат преобразования – выходной величиной. Основной метрологической ха-

рактеристикой измерительного преобразователя считается соотношение между

входной и выходной величинами, называемое функцией преобразования.

Измерительные преобразователи подразделяются на первичные (непосредст-

венно воспринимающие измеряемую величину); передающие, на выходе которых

величина приобретает форму, удобную для регистрации или передачи на расстоя-

ние; промежуточные, работающие в сочетании с первичными и не влияющие на

изменение рода физической величины. Кроме термина «первичный измеритель-

ный преобразователь» используется близкий к нему термин – «датчик». Электри-

ческий датчик – это один или несколько измерительных преобразователей, слу-

жащих для преобразования измеряемой неэлектрической величины в электриче-

скую и объединенных в единую конструкцию (датчик давления, температуры и

так далее).

Измерительные приборы – это средства измерений, которые позволяют по-

лучать измерительную информацию в форме, удобной для восприятия пользова-

телем. Например, вольтметр, манометр, термометр и т. д.

Измерительные системы представляют собой совокупность средств измере-

ний и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи.

Они предназначены для автоматического получения измерительной информации

от ряда ее источников, а также для ее передачи, обработки и запоминания. Обыч-

но измерительная система включает в себя датчик (или несколько датчиков),

вспомогательные устройства в виде усилителей, измерительных мостов и т. п.,

каналов связи в виде электрических, механических или гидравлических передач и

указателей, которыми могут быть стрелочные приборы (типа вольтметров или

амперметров), сигнальные лампочки или звуковые сигнализаторы.

Структурная схема измерительной системы показана на рис. 2.

Рис. 2

Таким образом устроены, например, системы измерений деформаций (или

напряжений, которые пропорциональны деформациям) в строительных конструк-

циях, где датчиком является электрический тензометр, сигнал которого в виде из-

менения сопротивления в измерительном мосту преобразуется в изменение силы

тока на выходе моста, которое регистрируется указателем – осциллографом или

миллиамперметром (рис. 3).

Рис. 3

Другим примером системы измерений может служить устройство измерения

грузового момента для защиты стреловых кранов от опрокидывания.

На стреловых кранах с механическим приводом используется ограничитель

ОГП-1 (рис. 4 а, б, в, г). Нагрузка измеряется датчиком силы 3, встроенным в ка-

натные оттяжки 1 стрелового полиспаста в месте установки распорок 2. Датчик –

это электрический динамометр, состоящий из упругого кольца 5, которое дефор-

мируется пропорционально усилию в стреловых канатах, т. е. пропорционально

тяжести груза. Деформация передается на подвижный контакт 4 потенциометри-

ческого датчика.

Второй потенциометрический датчик служит для измерения угла подъема

стрелы 8, который пропорционален величине вылета крюка. При повороте стрелы

вокруг точки 0 поворачиваются стержень 9, поводок 10 и кулачок 6. Кулачок че-

рез рычаг 7 перемещает подвижный контакт 12 потенциометра 11, потенциал на

котором соответствует углу подъема стрелы. Сигналы с обоих датчиков поступа-

ют в блок сравнения 13, где формируется команда на отключение всех механиз-

мов крана, когда величина поднимаемого груза достигнет предельного значения

для данного вылета крюка. Величину грузового момента определяют по стрелоч-

ому указателю – вольтметру 14. н

Рис. 4

В приведенных примерах измерительных систем отчетливо просматриваются

все необходимые для них устройства. Датчики: тензометрический, динамометри-

ческий, потенциометрический. Вспомогательные устройства: измерительный

мост, блок сравнения. Указатели: миллиамперметр, вольтметр, осциллограф, ис-

полнительные устройства автоматики крана. Каналы связи: электрические и ме-

ханические в виде рычагов, поводков, кулачков. Понятно, что шкалы указателей

типа вольтметров и амперметров градуируются в единицах измеряемых физиче-

ских величин: деформаций, механических напряжений, сил и т. п.