1.2. Метрология, основные задачи.
Метрология – это система, обеспечивающая единство измерений как в национальном, так и в международном масштабе. Эта система состоит не только из научных изысканий, но и включает в себя систему метрологических институтов, занимающихся обеспечением измерений. Прежде всего, это национальные метрологические институты, такие как НИСТ в США, ПТБ в Германии, МБМВ во Франции, ВНИИМ – в России. Кроме того, существуют международные метрологические институты, такие как МБМВ, а также международные комитеты по метрологии, которые координируют и вырабатывают общую международную метрологическую политику. Так, в последние годы выработана международная метрологическая система ИСО – 9000, которая регламентирует многие правила и отношения в этой области. Россия тоже интегрируется в эту систему, поэтому некоторые термины и правила будем описывать в терминах российской системы и ИСО-9000.
Одна из основных проблем метрологии – это создание системы эталонов различных физических величин, которые воспроизводят эти физические величины с наивысшей точностью для данного момента времени. Эти эталоны существуют для различных физических величин, таких как эталоны длины, угла, единый эталон частоты и времени, эталоны температуры, массы, силы, давления, эталоны электрических величин – тока и напряжения, и др..
Для реализации этих эталонов используются самые совершенные достижения современной науки и техники. Поэтому создание системы эталонов и поддержании их в действии, - это очень дорогая задача для страны. В России основные эталоны сосредоточены во ВНИИМе (С.-Петербург), и некоторые – во ВНИИФТРИ (Москва).
Метрология делит следующим образом все средства измерений по точности. На самом верхнем уровне находятся эталоны единиц различных физических величин. Следующий уровень – это образцовые средства измерений, имеющие очень высокую точность измерений, но меньшую чем эталоны. На следующем уровне точности находятся рабочие средства измерений, которые имеют меньший уровень точности, чем образцовые.
Именно с этими измерительными приборами и системами мы и имеем дело на практике для решения различных измерительных задач.
Средства измерения (СИ) включают в себя:
меры,
первичные измерительные преобразователи (ПП),
измерительные приборы,
информационно-измерительные системы.
Меры – это СИ, предназначенные для воспроизведения физических величин заданного размера. Например, платино-иридиевый метр – это мера длины. Миллиметровая линейка с делениями – тоже мера длины. Понятно, что платино-иридиевый метр – это образцовая мера длины (высокой точности), а линейка – рабочая мера длины (с меньшей точностью.
Широко используются в практике образцовые меры электрического сопротивления – наборы или магазины образцовых сопротивлений.
В практике тепловых измерений используются образцовые меры температуры, которые называются реперными температурными точками. Они точно воспроизводят температуру плавления чистого металла - например, олова, галлия, висмута, золота, серебра и др. Кроме того, основной реперной температурной точкой является тройная точка превращения воды (таяние льда). Также в качестве мер широко используются образцовые и рабочие термостаты, в которых поддерживается определенная температура с высокой степенью точности (до сотых и тысячных долей градуса).
Для определения механических или химических свойств материалов используются соответствующие меры, которые называются стандартными образцами и образцовыми веществами. К ним относятся образцы твердости, шерховатости, белой поверхности, а также стандартные образцы для определения механических свойств материала.
Первичные измерительные преобразователи (ПП) – это СИ, служащее для выработки электрических сигналов измерительной информации от преобразуемой физической величины. Также ПП называются датчиками или сенсорами. ПП бывают разного назначения и разного принципа действия. ПП – это основная часть измерительного прибора, и измерительной системы. Существует огромное количество ПП разного применения и принципов действия. Изучение ПП разного назначения является основной частью нашего курса.
К измерительным приборам относятся СИ, предназначенные для получения измерительной информации об измеряемой величине в удобной форме. Обычно, измерительные приборы относятся к рабочим СИ, и именно с ними приходится иметь дело на практике.
Информационно-измерительные системы – это набор измерительных приборов в одной конструкции.
Передача размера единиц (traceability) – это одна из основных задач метрологии. Она происходит от эталона к образцовым СИ, в качестве которых могут быть или меры, или образцовые измерительные преобразователи, или образцовые измерительные приборы. Образцовые СИ хранят и применяют институты и органы Госстандарта России, или институты и органы отраслевых метрологических служб.
От образцовых средств измерений размер передается к рабочим мерам или измерительным приборам посредством поверки (первичной, или периодической). Поверка СИ – это определение метрологическим институтом погрешностей СИ и установление их пригодности к применению. Первичная поверка также называется аттестацией. Кроме того, в соответствие с ИСО-9000 вместо поверки применяется равнозначный термин «калибровка».
Поверка измерительных приборов осуществляется одним из двух методов:
Методом измерения величин, воспроизводимых соответствующими образцовыми мерами. Наибольшая разность между результатами измерения и соответствующим размером меры является основной погрешностью поверяемого прибора.
методом сличения поверяемого и некоторого образцового прибора при измерении одной и той же величины. Разность их показаний при измерении различных значений измеряемой величины определяет погрешность калибруемого (поверяемого) прибора.
Важным при поверке является соотношения между погрешностями поверяемого и образцового приборов. Погрешность образцовых СИ обычно выбираются из соотношения 1 : 5, в крайнем случае, это соотношение может быть 1 : 3.
После поверки выдается свидетельство или аттестат о поверке. После межповерочного интервала (который устанавливается обычно органом Госстандарта при первичной поверке) происходит повторная поверка.