Стандартизация

ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ, ПРОВЕРКА СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ.

Содержание:

1. Введение.

2. Измерения, средства измерений.

3. Погрешности измерений.

4. Проверка средств измерений.

5. Список использованной литературы.

Список использованной литературы:

1. Учебник "Стандартизация, метрология и сертификация", И.М.Лифиц, Москва "Юрайт" 2002 год;

2. Васильев А.С. «Основы метрологии и технические измерения» 1980 г.;

3. Закон «Об обеспечении единства измерений» от 28.04.2001 г.;

4. Махоня И.Т. «Справочник инструментальщика по техническим измере ниям» 1984 г.;

5. Открытые источники информации.

Введение.

Технический прогресс, совершенствование технологических процессов, производство точных, надежных и долговечных машин и приборов, повышение качества продукции, обеспечение взаимозаменяемости и кооперирования производства невозможны без развития метрологии и постоянного совершенствования техники измерений.

Метрология - наука об измерениях физических величин, методах и средствах обеспечения их единства. Основные проблемы метрологии: развитие общей теории измерений; установление единиц физических величин и их системы; разработка методов и средств измерений, а также методов определения точности измерений; обеспечение единства измерений, единообразия средств и требуемой точности измерения; установление эталонов и образцовых средств измерений; разработка методов передачи размеров единиц от эталонов или образцовых средств измерений рабочим средствам измерений и др. Важнейшая роль в решении указанных проблем отводится государственной метрологической службе, имеющей научно-исследовательские институты и разветвленную сеть лаборатории государственного надзора и других организаций. Большую роль в развитии метрологии сыграл Д. И. Менделеев, который руководил метрологической службой в России в период 1892--1907 гг.

Под измерением понимают нахождение значений физической величины опытным путем с помощью специально для этого предназначенных технических средств.

Основное уравнение измерения имеет вид Q = qU, где Q -- значение физической величины, q -- числовое значение физической величины в принятых единицах, U -- единица физической величины.

Единица физической величины -- физическая величина фиксированного размера, принятая по согласованию в качестве основы для количествен-ного оценивания физических величин той же природы.

Измерения производят как с целью установления действительных раз-меров изделий и соответствия их требованиям чертежа, так и для проверки точности технологической системы и подналадки ее для предупреждения появления брака.

Вместо определения числового значения величины для упрощения часто проверяют, находится ли действительное значение этой величины (например, размер детали) в установленных пределах. Процесс получения и обработки информации об объекте (параметрах детали, механизма, процесса и т. д.) с целью определения его годности или необходимости введения управляющих воздействий на факторы, влияющие на объект, называется контролем. При контроле деталей проверяют соответствие действительных значений геометрических, механических, электрических и других параметров допустимым значениям этих параметров.

Для унификации единиц физических величин в международном масштабе создана Международная система единиц СИ.

Измерения, средства измерений.

Измерение - совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу величины, обеспечивающих нахождение соотношения измеряемой величины с ее единицей в явном или неявном виде и получение значения этой величины.

Измерения должны осуществляться в соответствии с аттестованными в установленном порядке методиками. Без системы измерений, позволяющей контролировать технологические процессы, оценивать свойства и качество продукции, не может существовать ни одна область техники

Совершенствование методов средств и измерений происходит непрерывно. Их успешное освоение и использование на производстве требует глубоких знаний основ технических измерений, знакомства с современными образцами измерительных приборов и инструментов.

Порядок разработки и аттестации методик выполнения измерений определяется Госстандартом России.

Конкретные методы измерений определяются видом измеряемых величин, их размерами, требуемой точностью результата, быстротой процесса измерения, условиями, при которых проводятся измерения, и рядом других признаков.

Каждую физическую величину можно измерить несколькими методами, которые могут отличаться друг от друга особенностями как технического, так и методического характера. В отношении технических особенностей можно сказать, что существует множество методов измерения, и по мере развития науки и техники, число их все увеличивается. С методической стороны все методы измерений поддаются систематизации и обобщению по общим характерным признакам. Рассмотрение и изучение этих признаков помогает не только правильному выбору метода и его сопоставлению с другими, но и существенно облегчает разработку новых методов измерения.

Различают прямые и косвенные методы измерения. При прямых измерениях значение измеряемой величины находят непосредственно из опытных данных. Большинство измерительных средств основано на прямых измерениях, например измерение температуры термометром, диаметра вала штангенциркулем, толщины тонкой фольги на оптиметре в диапазоне показаний шкалы и т.п. При косвенных измерениях искомое значение величины находят вычислением по известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям.

В машиностроении при прямых измерениях в большинстве случаев измеряют отклонения длин и углов от номинального значения или от рабочей меры прибором сравнения, в качестве которого, используют индикаторные головки, оптиметры, индуктивные преобразователи и т. п.

Средства измерения.

Технические средства, имеющие нормированные метрологические свойства называются средствами измерения. К ним относятся следующие:

Эталоны единиц физических величин -- средства измерений или комп-лексы средств измерений, официально утвержденные эталонами для вос-произведения единиц физических величин с наивысшей достижимой точ-ностью, и их хранения (например, комплекс средств измерений для воспро-изведения метра через длину световой волны). Примером точности эта-лонов может служить государственный эталон времени, погрешность которого за 30 тыс. лет не будет превышать 1 с.

Меры -- средства измерений, предназначенные для воспроизведения физической величины заданного размера. К мерам относятся плоско-параллельные концевые меры длины, гири, конденсаторы постоянной емкости и т. п.

Образцовые средства измерений -- это меры, измерительные приборы или преобразователи, утвержденные в качестве образцовых. Они служат для контроля нижестоящих по поверочной схеме измерительных средств, в то же время их периодически поверяют по эталонам. Точность образцовых средств измерения имеет большое значение для обеспечения единства измерений.

Рабочие средства измерений -- это меры, устройства или приборы, применяемые для измерений, не связанных с передачей единицы физической величины (например, концевая мера длины, используемая для контроля размеров изделии или для наладки станков).

Передача размеров единицы физической величины от эталона к рабочим средствам измерения производится в соответствии с поверочной схемой, устанавливающей средст-ва, методы и точность передачи единицы размера.

Точность указанных измерительных средств понижается в 1,6--3 раза с переходом на одну ступень от более точных средств к менее точным по поверочной схеме.

Основные метрологические показатели средств измерения.

Деление шкалы прибора - промежуток между двумя соседними отметками шкалы.

Длина (интервал) деления шкалы - расстояние между осями двух соседних отметок шкалы.

Цена деления шкалы -- разность значений величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы; например, 0,002 мм при длине (интервале) деления шкалы прибора, равной 1 мм.

Диапазон показаний (измерений по шкале) - область значений шкалы, ограниченная ее начальным и конечным значениями; например, диапазон показаний оптиметра ±0,1 мм.

Диапазон измерений -- область значений измеряемой величины, в пре-делах которой нормированы допустимые погрешности средства измерений, например, диапазон измерения длин на проекционном вертикальном оптиметре ИКВ-3 0-200 мм.

Предел измерений -- наибольшее или наименьшее значения диапазона измерений.

Измерительная сила -- сила воздействия измерительного наконечника на измеряемую деталь в зоне контакта.

Предел допустимой погрешности средства измерения -- наибольшая (без учета знака) погрешность средства измерений, при которой оно может быть признано годным и допущено к применению; например, пределы допустимой погрешности 100-миллиметровой концевой меры длины 1-го класса равны ±0,5 мкм.

Стабильность средства измерения -- свойство, отражающее постоянство во времени его метрологических показателей.

Погрешность измерения -- разность между результатом измерения и истинным значением измеряемой величины.

Точность измерений -- характеристика качества измерений, отражающая близость к нулю погрешностей их результатов. При высокой точности погрешности всех видов минимальны.

Точность средств измерений -- качество средств измерений, характеризующее близость к нулю их погрешностей.

Воспроизводимость измерений -- близость результатов измерений одной и той же конкретной величины, выполняемых в различных условиях в различных местах различными методами и средствами.

Чувствительность измерительного прибора -- отношение изменения сиг-нала на выходе измерительного средства к вызвавшему его изменению измеряемой величины. Например, при перемещении измерительного нако-нечника измерительной пружинной головки ИГП на величину цены деления 0,5 мкм указатель перемещается на одно деление шкалы, равное 1 мм.

Чувствительность этого прибора равна 1000: 0,5 = 2000. Для шкальных измерительных приборов типа пружинных головок, индикаторов часового типа чувствительность численно равна передаточному отношению меха-низма прибора.

Поправка -- величина, которая должна быть алгебраически прибавлена к показанию измерительного прибора или к номинальном значению меры, чтобы исключить систематические погрешности и получить значение измеряемой величины или значение меры, более близкое их истинным значениям.

Погрешности измерений.

Погрешность измерения -- разность между результатом измерения и истинным значением измеряемой величины. В метрологии существует несколько типов погрешностей.

Представительность измеряемой величины

Для общего применения измерительной техники с целью познания процесса или состояния, необходимо выполнение одного условия - измерение должно быть представительным. Это обеспечивается в том случае, если из измеренного значения при помощи количественной, закономерной зависимости (так называемого заданного закона) можно сделать заключение о качестве объекта измерения. Если это условие не выполняется, т.е. используемый заданный закон некорректен или не выполнены условия для применения корректного заданного закона, то возникает так называемая погрешность представительности. Ошибки представительности часто возникают из-за того, что заданный закон, вполне подходящий при нормальных условиях, применяется и тогда, когда ненормальные условия измерения в сущности этого уже не позволяют. Типичным примером этого является ошибочное измерение эффективного значения переменного тока и переменного напряжения с помощью выпрямительного прибора при несинусоидальном изменении измеряемой величины.

Характерно, что ошибки представительности могут появиться при использовании высококачественных измерительных приборов и что на практике эти ошибки чаще всего могут быть выявлены с трудом и только с помощью больших затрат. Это особенно неприятно из-за того, что ошибки представительности нередко имеют значительную величину и могут многократно превышать остальные погрешности.

Погрешности, связанные с процессом измерения.

Условия применения измерительного устройства считаются известными, если наряду с процессом известны и наиболее существенные влияющие величины. Однако, как уже указывалось, всегда остаётся большое число менее значительных факторов, оказывающих влияние на измерение. Погрешность, вызванная этими факторами, является случайной, так как она возникает в результате случайной комбинации множества отдельных воздействий. Поэтому заранее не известны ни её абсолютная величина, ни знак. Очевидно, что эти случайные изменения погрешности могут возникать вследствие случайных изменений и одной влияющей величины. Однако в общем случае такие колебания представляют собой результат случайных комбинаций отдельных процессов. Так, сам отсчёт аналогового показания всегда содержит случайную погрешность. Это стохастическое влияние отсчёта является в свою очередь результатом многих неконтролируемых побочных воздействий. Если измерение многократно повторять при известных и неизвестных условиях, то измеряемые значения будут колебаться около ожидаемого значения которое представляет собой среднее значение результатов бесконечно многих измерений. Воспроизводимость отдельного измерения характеризуется отклонением от математического ожидания, видом этого отклонения, его размером и его повторяемостью (частотой).

Точность, с которой может быть определено (с заданной вероятностью) указанное ожидаемое значение, можно оценить статистически. Эту точность результата измерения не следует смешивать с его правильностью.

Основные влияющие величины бывают известными, и их стремятся поддерживать постоянными; однако они могут отклоняться от тех значений, которые были приняты при градуировке измерительного устройства. Кроме того, воспроизведение образцовых мер никогда не бывает точным и, наконец, действительный закон преобразования в измерительном устройстве может отличаться от желаемого.

Эти погрешности нельзя исключить повторением измерения. В противоположность случайным погрешностям они являются систематическими и отличаются своей воспроизводимостью. Их абсолютная величина, а также знак остаются неизменными при заданных условиях.

Динамические погрешности.

В приборах с нелинейной характеристикой зависимость между выходной и входной величинами описывается алгебраическим или трансцендентным уравнением. В этих случаях погрешности зависят только от размера измеряемой величины и не являются функциями времени, - это  статические погрешности измерения.

При измерении изменяющейся во времени физической величины связь между входной и выходной величинами описывается дифференциальным уравнением. Возникающие при этом погрешности зависят не только от размера измеряемой величины, но и от характера изменения её во времени. Поэтому их называют динамическими погрешностями.

Так, неизменная во времени температура может быть измерена термометром «безошибочно», в то время как быстрые изменения температуры из-за его запаздывания отслеживаются неточно.

В показание измерительного устройства преобразуется не только измеряемая величина, но также и внешние влияющие величины. При описании возникающих при этом погрешностей следует различать статические и динамические погрешности.

Строго говоря, статические погрешности можно рассматривать как частный случай динамических. Они полностью содержатся в математическом описании последних.

Погрешности, связанные с обработкой измеренных величин.

Погрешности отсчёта и квантования.

Очень часто отдельные измеренные величины подвергаются дальнейшей статистической обработке с целью уменьшения разброса либо определения функциональных или статистических зависимостей. Помимо погрешностей, связанных с самим процессом измерения, в этих случаях следует учитывать ряд дополнительных погрешностей.

Для численной обработки измеренных значений последние должны быть представлены в цифровой форме, в виде чисел. При этом возникает погрешность квантования. Однако отсчёт аналогового показания тоже связан с дополнительной погрешностью, которая часто бывает не меньше, чем ошибка квантования. Ошибка отсчёта в большой степени определяется видом устройства вывода данных. Вследствие оптического обмана, обусловленного, например, разбивкой шкалы штрихами разной толщины, параллаксом или эффектом преломления света, могут возникнуть не только случайные, но и систематические погрешности. Ошибки отсчёта и квантования могут привести к серьёзным погрешностям результатов при числовой обработке измеренных величин (например, потеря точности, искажения при обращении матриц с неточными членами и т.п.).

Временная дискретизация.

Числовая обработка аналогового измерительного сигнала связана с его дискретизацией во времени. Как и в случае применения печатающего устройства для точечной записи или аналого-цифрового преобразователя, измерительный сигнал описывается рядом импульсов, информация в промежутках между которыми теряется. Это следует учитывать при анализе сигналов и дальнейшей обработке, связанной с исследованиями динамических процессов. В соответствии с динамическим характером этих погрешностей оценка их возможна только на основе учёта изменения сигнала во времени и характера его дальнейшей обработки.

Погрешности результата измерения.

При обработке измеренных величин, например, при расчёте результата измерения по нескольким измеренным значениям, особое внимание следует уделять распространению погрешностей исходных данных на конечный результат.

Влияние различных измеренных величин на результат измерения может быть совершенно различным. Поэтому только на основании анализа специфики последующей обработки можно сформулировать разумные требования к правильности (систематическая погрешность) и достоверности (случайная погрешность) отдельных измеряемых значений.

Погрешности измерительных устройств

Порог реагирования.

Если входная величина измерительного устройства медленно и непрерывно увеличивается от нуля, то выходная величина начинает изменяться только при определённом значении входной величины. Абсолютная величина этого значения называется порогом реагирования или нечувствительностью в нулевой точке. Чтобы исключить неопределённость, связанную с обнаружением факта начала изменения показаний, предусматривается определённое малое изменение показаний ха.

Для счётных (интегрирующих) измерительных приборов установлен так называемый порог реагирования (порог трогания), т.е. нагрузка, при которой прибор начинает счёт. Размер этой нагрузки определяют по измеряемой величине при интегрировании в течение некоторого времени.

Точность измерений.

Точность измерений СИ - качество измерений, отражающее близость их результатов к действительному (истинному) значению измеряемой величины. Точность определяется показателями абсолютной и относительной погрешности.

Абсолютная погрешность определяется по формуле: Хп= Хп - Х0,

где: Хп - погрешность поверяемого СИ; Хп - значение той же самой величины, найденное с помощью поверяемого СИ; Х0 - значение СИ, принятое за базу для сравнения, т.е. действительное значение.

Однако в большей степени точность средств измерений характеризует относительная погрешность, т.е. выраженное в процентах отношение абсолютной погрешности к действительному значению величины, измеряемой или воспроизводимой данным СИ.

Проверка средств измерений.

Погрешность измерений не должна превышать установленных пределов, которые указаны в технической документации к прибору или в стандартах на методы контроля (испытаний, измерений, анализа).

Чтобы исключить значительные погрешности, проводят регулярную поверку средств измерений, которая включает в себя совокупность операций, выполняемых органами государственной метрологической службы или другими уполномоченными органами с целью определения и подтверждения соответствия средства измерений установленным техническим требованиям.

В повседневной производственной практике широко пользуются обобщенной характеристикой - классом точности.

Класс точности средств измерений - 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 устанавливают конкретные требования к метрологическим характеристикам, в совокупности отражающим уровень точности СИ данного класса. Класс точности позволяет судить о том, в каких пределах находится погрешность измерений этого класса. Это важно знать при выборе СИ в зависимости от заданной точности измерений.

Обозначение классов точности осуществляются следующим образом:

s 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, присваиваются буквы, находящиеся ближе к началу алфавита.

s Для СИ, пределы допускаемой основной погрешности которых принято выражать в форме относительной погрешности, обозначаются числами, которые равны этим пределам, выраженным в процентах.

Обозначения класса точности наносят на циферблаты, щитки и корпуса СИ, приводят в нормативных документах. Средствам измерений с несколькими диапазонами измерений одной и той же физической величины или предназначенным для измерений разных физических величин могут быть присвоены различные классы точности для каждого диапазона или для каждой измеряемой величины.

Классы точности присваиваются при разработке СИ по результатам приемочных испытаний. В связи с тем, что при эксплуатации их метрологические характеристики обычно ухудшаются, допускается понижать класс точности по результатам поверки.

При подготовке и проведении высокоточных измерений в метрологической практике учитывают влияние объекта измерения, субъекта, метода измерения, средства измерения, условий измерения. Так, объект должен быть всесторонне изучен; элемент субъективизма в результатах измерения должен быть сведен к минимуму; учитывают факторы и условия, которые могут искажать результаты измерений. Поэтому необходимо соблюдать методику выполнения измерений, чтобы получить результаты с минимальной погрешностью. Такие методики изложены в законе РФ «Об обеспечении единства измерений. А в 1997 году начал действовать ГОСТ 8.563-96 «ГСИ. Методики выполнения измерений».

Для контроля точных процессов производства и повышения качества машин и других изделий необходимо не только непрерывно повышать точность, производительность и надежность средств измерения, но и правильно применять и систематически поверять средства измерения в процессе эксплуатации. Ошибочные результаты измерения из-за не-качественного выполнения собственно измерений столь же часты, как и при применении неточных средств измерения. Как в том, так и в другом случае возникает необнаруженный брак, который приводит к браку на последующих этапах процесса производства или к снижению качества изделий, их точности, надежности и долговечности.

Для устранения указанных недостатков в нашей стране создана Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Основ-ные задачи ГСИ: установление единиц физических величин, методов и средств воспроизведения единиц, рациональной системы передачи единиц от эталонов к рабочим средствам измерений; определение номенклатуры,

так как они являются ошибками второго порядка малости.

Основные задачи ГСИ: установление единиц физических величин, методов и средств воспроизведения единиц, рациональной системы передачи единиц от эталонов к рабочим средствам измерений; определение номенклатуры и способов выражения метрологических показателей средств измерении.

Для обеспечения единства измерений введены обязательные испытания новых типов измерительных средств и надзор за состоянием и правиль-ным использованием измерительной техники, применяемой в народном хозяйстве. Систематическая поверка приборов - это одна из главных гарантий их точности. Важное значение имеют также соблюдение нор-мальных условий измерений, установленных стандартами.