Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Методы и средства измерений, испытаний и контроля: Учебное пособие - 2-е изд. перераб. и доп.

Голосов: 26

В учебном пособии описаны основные методы измерений и средства измерений, испытаний и контроля. Изложены ключевые понятия и математические модели элементов измерительного процесса. Подробно рассмотрены методы и алгоритмы расчета характеристик погрешностей многократных и однократных измерений. Для студентов вузов специальности метрология, стандартизация и сертификация пищевых производств и услуг, связанных с пищевыми продуктами и сырьем для пищевого производства.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
                МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
                 РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
          ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
            Государственное образовательное учреждение
              высшего профессионального образования
            «Оренбургский государственный университет»

         Кафедра метрологии стандартизации и сертификации



                       В.А. НИКИТИН
                        С.В. БОЙКО




  «МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ,
     ИСПЫТАНИЙ И КОНТРОЛЯ»


            Издание второе, переработанное и дополненное

   Рекомендовано УМО вузов по университетскому политехническому
образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных
                              заведений




                           Оренбург 2004


УДК 389 (075.8)
ББК 30.10я7
    Н-62




     Рецензенты
     Заведующий кафедрой метрологии и систем качества Пензенского
     государственного университета доктор технических наук, профессор
     Г.П. Шлыков, заведующий кафедрой производства летательных
     аппаратов и управления качеством Самарского государственного
     аэрокосмического университета член корреспондент РАН, доктор
     технических наук, профессор В.А. Барвинок

     Никитин В.А., Бойко С.В.
Н-62 Методы и средства измерений, испытаний и контроля:
     Учебное пособие - 2-е изд. перераб. и доп.- Оренбург ГОУ ОГУ, 2004. -
     462 с.
   ISBN 5-7410-0692-2


          В учебнике описаны основные методы измерений и средства
     измерений, испытаний и контроля. Изложены ключевые понятия и
     математические модели элементов измерительного процесса. Подробно
     рассмотрены методы и алгоритмы расчета характеристик погрешностей
     многократных и однократных измерений.
          Для студентов вузов специальности метрология, стандартизация и
     сертификация пищевых производств и услуг, связанных с пищевыми
     продуктами и сырьем для пищевого производства.




                                                              ББК 30.10я7
         2004010000
     Η
          6 Л 9 − 01
                                          © Никитин В.А., Бойко С.В., 2004
                                          ©ИПК        ГОУ ОГУ       , 2004
ISBN 5-7410-0692-2


                     Предисловие ко второму изданию

       В процессе производственной и познавательной деятельности
человеческого общества возникает множество практических и теоретических
задач, для решения которых необходимо располагать количественной
информацией о том или ином свойстве объекта материального мира (процесса,
вещества, детали машины, явления природы и т.д.). Основным способом
получения той или иной информации являются измерения, при реализации
которой необходимо применить определенные правила, чтобы получить
результат измерения с большей или меньшей точностью, отражающие свойства
объекта или показатели его качества. Такая информация называется
измерительной информацией.
       Студенты инженерных специальностей ВУЗов, начиная с начальных
курсов, работают в лабораториях по измерениям профилирующих знаний
специальных кафедр. Лабораторные работы              по измерениям дают
практическую возможность тщательно изучить сущность теоретических основ
измерения, методов измерения и конструкции различных средств измерения.
Результаты любых измерений неизбежно содержат неточности –
неопределенности типа А и Б (погрешности), как бы тщательно и на каком бы
высоком уровне они не выполнялись. Известно, что абсолютно точных
измерений не существуют принципиально, так как               даже эталоны
государственной важности имеют вышеуказанные неопределенности типа А и
Б. Именно поэтому успешное усвоение теоретического материала в ходе
лабораторных работ, усвоение методов и средств измерений, методов и средств
испытаний, методов и средств контроля, приобретение в этом процессе
практических навыков, предполагает также прочное усвоение современных
методов математической обработки результатов измерений через анализ
объектов измерения, выбора средства измерения, испытания или контроля,
анализа и оценивания неопределенностей типа А и Б (погрешностей).
       Подготавливаясь к будущей самостоятельной работе по профилю своей
специальности, студенты постепенно понимают, что сегодня измерения
пронизывают все сферы человеческой деятельности. С измерениями связана
деятельность    инженера-конструктора,     инженера-технолога,    инженера-
контролера, инженера-испытателя, инженера-исследователя и инженера-
производственника. Все эти специалисты обязаны иметь ясное представление о
возможностях и оснащенности производства измерительной техникой, чтобы
обеспечить взаимозаменяемость деталей и узлов, контролепригодность
разрабатываемого изделия и качество его изготовления по всем переделам и
операциям на всех стадиях его жизненного цикла. Измерительная информация
является основой для принятия технических и управленческих решений при
производстве и испытаниях продукции, оценивании ее технического уровня,
аттестации и сертификации качества. И, конечно, знание современных правил,
законов РФ, норм и регламентов в области измерений является обязательной
функцией для специалистов управления и организации производства.


        Результат измерения имеет серьезное значение лишь при условии, что
он сопровождается оценкой неопределенности типа А и Б (погрешности)
измерения, либо дополняется сведениями, которые позволяют пользователю
информации измерения оценить точность измерения самостоятельно. Кроме
того, важно не только уметь выполнить измерение и оценить погрешность
результата, но и так подобрать средство измерения, спланировать и
осуществить процедуру измерения, чтобы была обеспечена требуемая точность
или, по крайней мере, была сведена к минимуму погрешность. В этих условиях
нужен единый научный и законодательный фундамент, который осуществляет
на практике высокое качество измерений, независимо от того, где и с какой
целью они производятся. Таким фундаментом является дисциплина прикладной
метрологии – «Методы и средства измерений, испытаний и контроля».
        В первой части учебника излагаются основные методы измерений,
усвоение которых позволяют студенту осознанно подойти к изучению средств
измерений распространенных величин. Во второй части учебника изложены
средства измерений, испытаний и контроля и отличительные особенности
измерений от испытаний и контрольных операций.
        Изучение учебника требует от студентов знаний основ математики,
особенно теории вероятностей, в объеме, который предлагается студентам
технических специальностей.
        Оба автора разделяют ответственность за содержание всего материала
учебника. Помощь коллег дала возможность привести учебник к настоящему
виду. Хочется выразить им сердечную благодарность. Авторы считают своим
приятным долгом выразить искреннюю признательность и благодарность
коллективу кафедры «Производство летательных аппаратов и управления
качества» Самарского государственного аэрокосмического университета
(заведующему кафедрой члену корреспонденту РАН, доктору технических
наук, профессору Барвинок В.А.) и коллективу кафедры «Метрология и
системы качества» Пензенского государственного технического университета
(заведующему кафедрой доктору технических наук, профессору Шлыкову
Г.П.), взявшим на себя труд по рецензированию рукописи и сделавшим особый
ряд ценных замечаний, способствовавших улучшению содержания учебника.


                                    Введение

       Современный этап развития человечества характеризуется огромным
потоком информации, циркулирующей во всех сферах его деятельности. Если в
середине 19-го века увеличение объема информации за 50 лет происходило
вдвое, то в 20-м веке, до 80-х годов, его удвоение происходило примерно за 20
лет. После 80-х этот показатель стал меняться в течение 3-4-х лет, а в 21 веке
это удвоение происходит так стремительно, что такие сроки назвать будет
некорректно, так как информационный поток просто огромен во всех отраслях
жизненного цикла человечества! Поэтому 21 век назван веком информации.
       В процессе различной деятельности людей, индивидуально каждого
человека и во взаимодействии сообщества возникает множество задач, для
решения которых необходимо иметь достаточное количество и качество
информации о том или ином свойстве объектов материального мира (явления,
процесса, вещества, параметра продукции, детали или машины в целом и т.д.).
       Одним из главных способов получения информации – измерения и
методы измерений. Информация о свойствах и качественных характеристиках
объектов, полученных с помощью измерений, называется ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ
ИНФОРМАЦИЕЙ. Студенты инженерных специальностей высших учебных
заведений, начиная занятия с первого семестра, из школьного багажа знаний,
знают, что такое размерность и единицы измерений, но на элементарном
уровне.
       Результат любого измерения заслуживает внимания лишь при условии,
что он имеет оценку погрешности измерения, либо информацию оценки
точности измерения самостоятельно. Курс «Методы и средства измерений,
испытания и контроля» читается после освоения студентами курса
«Теоретическая метрология» и поэтому нет необходимости повторять главные
сведения и формулировка из метрологии. Однако есть один момент, о котором
необходимо поговорить, исходя из последних событий в мире, о практической
метрологии и ее прикладных учебных дисциплин, к которым и относится курс
«Методы и средства измерений, испытаний и контроля». Речь идет о замене
термина «погрешность измерений» на «неопределенность измерений» в
практике производственной и общественной жизни Российской Федерации.
Полемика в МОЗМе и в ГОССТАНДАРТЕ РФ еще идет, но в перспективе уже
ясно, что студенты все отчетливее должны привыкать к терминам
«неопределенность измерений», если мы хотим быть на уровне
взаимопонимания с зарубежными странами, с требованиями международного
рынка и культурными связями с народами мира.


     1 Предмет, задачи и содержание дисциплины

       Что такое - «Теория Постановки Задачи»? Любая задача может быть
разложена на две составляющие: внутреннюю задачу и внешнюю задачу.
Решать задачу приходится на уровне как внешней, так и внутренней. Обычно
ученые говорят: «Вопрос решается на уровне внешней задачи, или на уровне
внутренней задачи» Что это значит? В условие задачи постановщик ее
включает необходимое и достаточное количество исходных данных и
оговаривает их условия значимости по граничным параметрам их стабильности
или не стационарности, переменные или постоянные их величины и т.д. Из
физики, математики это Вам должно быть известно, но все-таки так это или не
так, а методы и средства измерений, испытаний и контроля требуют
педантичную, беспощадную, жесткость подхода к постановке и, разумеется, к
решению задачи. Если Вы решаете задачу и безукоризненно выполняете все
условия границ, без допущений, применяете аналитику или приближенные
методы расчетов в пределах условий, то считается, что Вы решаете ее на
уровне внутренней задачи. Если Вы выходите за рамки допущений и
граничных условий, а применяете известные закономерности в науке,
действующие в пределах заранее оговоренных граничных условий, то Вы
выходите из внутренней задачи и внедряетесь в уровень внешней задачи. Тем
самым Вы перед собой, вольно или не вольно, ставите задачу переходных
процессов стационарных или случайных нестационарных событий, не
подозревая о трудностях получить достоверный результат, впадаете в
заведомую ловушку. Поэтому, выходя во внешнюю задачу надо осознанно это
знать и помнить, что занимаетесь научным экспериментом, а оправдано ли это
с точки зрения экономики, это уже другой вопрос.
       О литературе! Можно читать все типы и виды литературы и поднимать
уровень своей культуры, интеллект и т.д., но есть Законы и НТД, знание
которых не только повышают уровень культуры, а являются гражданской и
должностной обязанностью, иногда тесно связанной с уголовной
ответственностью. Поэтому у метрологов обычно говорят, что литературу
читай, а законы и государственные стандарты исполняй!
       На страницах журнала «Законодательная метрология» №2 за 1995 год в
статье г. В.А. Брюханова, Н.П. Мифа открыта рубрика обсуждения Закона РФ
«Об обеспечении единства измерений» в статье «ГСИ. Методики выполнения
измерений» - важное мероприятие для реализации закона РФ «Об обеспечении
единства измерений» с 9-12, не обсудить сущности, которой мне кажется
нельзя. Хотя эта статья не закончена, а продолжается в №4 за 1995 год в статье
В.А. Брюханова «Региональные семинары по реализации закона Российской
Федерации «Об обеспечении единства измерений» с 15-19, уже сейчас ясно, что
авторы затрагивают вопиющие вопросы повседневной жизни нашего общества
во взаимосвязях с обществами зарубежных стран со всеми проблемами
терминологии. Известна истина, если хочешь, чтобы был понят другими, то
говори на общепонятном языке и применяй взаимосогласованную


терминологию. Настоятельно рекомендуем всем Вам постоянно просматривать
журнал «Законодательная метрология» и читать все то, что западет в «душу»,
уверен в успехах Вашего последующего «реноме».
       «МЕТОДЫ» - что это такое? Необходимо обратиться к
межгосударственному      стандарту     РМГ       29-99 «Рекомендации    по
межгосударственной стандартизации. Метрология. Основные термины и
определения», который был принят взамен ГОСТ 16263-70.
       Таким образом действует РМГ 29 – 99, а так как ГОСТ 16263 - 70
отменен, то применять его нельзя, однако мы еще долго будем прибегать к
нему, с точки зрения познавательной направленности недавних споров,
применяемости в старой литературе со ссылками на него.
       Метод - это алгоритм, порядок элементарных операций действия или
изложения сути проблемы в последовательном по логике физических законов
природы в порядке следования друг за другом. Этому соответствует все
многообразие жизни, мы продолжаем его изучать и видоизменять в процессе
познания. Далее уже начинается философия! «Метод измерения - совокупность
приемов использования принципов и средств измерений»- определение из
стандарта ГОСТ 16263-70. Согласно РМГ 29-99, «Метод измерения – прием
или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее
единицей в соответствии с реализованным принципом измерений».
       Чтобы изучать эти методы и средства измерений, испытаний и контроля,
необходимо, прежде всего, определиться о том, что является первоосновой
метрологии! Мы обязательно должны начать с Закона РФ «Об обеспечении
единства измерений». Обсуждение любых проблем, связанных с единством
измерений, целесообразно начинать с упоминания основных метрологических
истин или, если, осторожно выражаясь, с утверждений, которые на
сегодняшний день нам представляются как истины (известно, что все в мире
носит относительный характер, сегодня истина, а завтра ее заменяет другая
истина!»), приводим их в редакции Брюханова В.А. –журнал «Законодательная
метрология» №2 за 1998 год в статье «Единство измерений: прекрасная мечта,
суровая реальность и оптимистический финал», часть 1-я, с 43-49 и
продолжение в № 4 за 1998 год – часть 2-я, с 6-12.

     1.1 Метрологические истины

       Истина первая. Погрешность измерений - отклонение результата
измерения от истинного (действительного) значения измеряемой величины /2/.
Истинные значения измеряемых величин идеальным образом отражают, как
отмечается в работе «Основы метрологии» Бурдун Г.Д., Марков Б.Н. о понятии
- физических величин, свойства данного объекта, как в количественном, так и в
качественном отношении. Они не зависят от средств нашего познания, от
устройства государственного строя, деятельности президента и т.д., а являются
той «абсолютной истиной», к которой мы стремимся, и познать которую нам
так, и не дано. Вот почему мы в нашей жизни вместо истинных значений
величин оперируем действительными значениями. Под действительными


значениями физических величин принято понимать их значения, найденные
экспериментом и настолько приближенные к истинным, что для конкретной
цели они могут быть достаточно использованы вместо истинных. Вопросы о
необходимой степени приближения являются самыми трудными вопросами
теории в метрологии, а курса нашего они касаются чисто факультативно,
поэтому нам остается Вас адресовать к дисциплине - «теоретическая
метрология», где эти вопросы будут изучаться подробно.
       Истина вторая. Все наши сведения о погрешностях измерений носят
заведомо приближенный характер, так как истинные значения физических
величин необходимо называть действительными значениями величин. Поэтому
принято говорить об оценивании погрешности измерений как о процедуре
действий в процессе измерений, об оценках погрешности измерений как о
результатах этих действий.
       Истина третья. Погрешность измерения есть объективное и неизбежное
ЗЛО. Что это значит? Это означает то, что из-за погрешности измерений
страдают простые люди любой страны, страдают организации, предприятия,
экономика страны, экология нашей жизни и иногда даже существующий
правопорядок в стране! Обвесы в магазине при покупках продукции! Ошибки
первого и второго рода из-за погрешности измерений при контроле измерений!
Экологические неточности и погрешности в измерениях вредных выбросов в
атмосферу ставят под удар безопасность жизни человечества на земле! Эти
примеры можно перечислять бесконечно.
       Истина четвертая. Знание погрешности является в то же время не
только злом, но и благом.
       Мы можем, на основании знаний погрешности:
        - разумным образом выбирать средства измерений и методики
           выполнения     измерений    для    решения     огромного  круга
           измерительных задач;
        - сопоставлять СИ и МВИ по важнейшему критерию - точности
           измерений;
        - сопоставлять результаты измерений, полученные в разных условиях,
           с помощью различных методов и СИ;
        - оценивать достоверность результатов измерений с испытаниями и
           контролем продукции при оценке ее качества и т.д.
       Истина пятая. Обязательным условием знания погрешности измерений
является наличие эталонов единиц тех величин, которые измеряются. Под
эталоном единицы величины понимается СИ или комплекс СИ,
предназначенных для воспроизведения и хранения единицы и передачи ее
размера нижестоящим по поверочной схеме СИ. Одной из центральных статей
Закона РФ «Об обеспечении единства измерений» является статья 9, гласящая,
что измерения должны выполняться в соответствии с аттестованными в
установленном порядке методиками. Для выполнения этого требования был
создан ГОСТ Р 8.563 -96 «ГСИ. Методики выполнения измерений». Под
действие этого стандарта подпадает огромный массив измерительных
процедур, для которых погрешность результата измерений не сводится к


погрешности применяемого средства измерений, а еще и к погрешности
измерений параметров изделий производства. Дело в том, что СИ не создаются
сами для себя. Они существуют для обслуживания жизнедеятельности
общества во всевозможных областях жизненного цикла последнего. Поэтому
мы вынуждены кратко остановиться на вопросе о том, что тотальное внедрение
МВИ в жизнь обращения СИ и методов их использования в сферах
деятельности Российской Федерации в текущем моменте жизни будет крайне
противоречивым. В процессе разработки        МВИ и их согласования для
производств, в ходе аттестации, метрологического контроля и надзора, будут
возникать конфликтные ситуации между региональными ЦСМ, Госстандартом
Российской Федерации и конкретными организациями Российской Федерации,
организующими какую либо измерительную практику. Например, в области
испытаний и контроля пищевой продукции и продовольственного сырья, в
среднем только каждый пятый стандарт «дотягивает» в настоящее время до
требования обеспечения единства измерений, т.е. Закона и стандарта на МВИ!
Таким образом, для многих процедур испытаний и контроля качества
продукции питания и сырья вопрос достоверности результатов измерений,
испытаний и контроля фактически остается открытым, и, следовательно,
применение стандартов, регламентирующих испытательные процедуры и не
соответствующих требованию обеспечения единства измерений, не позволяет
гарантировать достижение цели, сформулированной в Законе, т.е. защиту прав
и законных интересов граждан Российской Федерации от отрицательных
последствий недостоверных результатов измерений. Вот, что значит МВИ и
ГОСТ Р 8.563-96! Чтобы не затрагивать проблем других предметов, мы
ограничимся сказанным и перейдем к определению понятий процедур
измерений.


     2 Классификация измерений (Виды измерений)

       Все измерения подразделяются на прямые измерения и косвенные
измерения. Прямые измерения - измерения, при котором искомое значение
физической величины получают непосредственно. Например, измерение массы
на весах, температуры ртутным или спиртовым термометром, геометрических
измерений с помощью линейно-угловых СИ и т.д.
       Косвенные измерения - определение искомого значения физической
величины на основании результатов прямых измерений других физических
величин, функционально связанных с искомой величиной. Например,
нахождение температуры по реакции термоЭДС в термопаре, удельного
электросопротивления проводника по его сопротивлению, длине и площади
поперечного сечения и т.д.
       Из прямых и косвенных измерений вытекают понятия:
       -    совокупные измерения - проводимые одновременно измерения
нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин
определяют путем решения системы уравнений, получаемых при измерениях
этих величин в различных сочетаниях. Например, измерение массы отдельных
гирь сравнением масс сочетания гирь;
       -    совместные измерения - проводимые одновременно измерения
двух или нескольких неодноименных величин для определения зависимости
между ними. Например, измерение, при которых электросопротивление при
Т=20 °С и температурные коэффициенты измерительного резистора находят по
данным прямых измерений его сопротивления при различных температурах;
       -    абсолютное измерение - измерение, основанное на прямых
измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании
значений физических констант;
       -    относительное измерение - измерение отношения величины к
одноименной величине, играющей роль единицы, или измерение изменения
величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную;
       -    принцип измерения - физическое явление или эффект, положенное
в основу измерения. Основывается на известных законах физики и химии;
       -    методы измерения – прием или совокупность приемов сравнения
измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с
использованным принципом измерений;
       -    средство измерения - техническое средство, предназначенное для
измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики,
воспроизводящие и (или) хранящие единицу физической величины, размер
которой принимают неизменным (в условиях установленной погрешности) в
течение известного интервала времени;
       -    мера - средство измерения, предназначенное для воспроизведения и
(или) хранения физической величины одного или нескольких заданных
размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с
необходимой точностью. Например, однозначная мера - гири, многозначная



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика