Файл: Учебное пособие для вузов. М. Радио и связь, 1985. Кушнир В. Д. Электрорадиоизмерения Учебное пособие для вузов. М. Радио и связь, 1985.pdf

Введение
Хандамиров В.Л. Конспект по курсу “Метрология и радио измерения”

Все права принадлежат автору. Никакая часть содержимого конспекта не может быть воспроизведена или передана, в какой либо форме или какими-либо средствами без письменного согласия автора.
7 соответствия (сертификатом) понимался выдаваемый в соответствии с правилами системы сертификации документ, удостоверяющий соответствие объекта требованиям технических регламентов, положениям стандартов или условиям договоров.
Применяемая в настоящее время нормативная база включает несколько вариантов си- стем сертификации, отличающихся объемом и содержанием сертификационных работ. Во всех вариантах предусмотрено выполнение определенных аттестационных и контрольных проверок, при положительных результатах которых сертифицируемой продукции, может быть выдай соответствующий сертификат качества.
Методологической основой построения основных систем сертификации являются Фе- деральный закон «О техническом регулировании», закон «О защите прав потребителей» и нормативные документы ИСО, МЭК, Системы сертификатов, Международной организации законодательной метрологии (MОЗM) и пр. Другими основополагающими законами, регули- рующими деятельность по сертификации в России, являются Закон РФ «Об обеспечении единства измерений», Федеральный Закон РФ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов», Федеральный Закон РФ «Об основах охраны труда в РФ».
Федеральный закон РФ «О техническом регулировании» — фундамент, на основе ко- торого построены и техническое регулирование, и стандартизация, и подтверждение соот- ветствия, и сертификация.

Модуль 1.
Хандамиров В.Л. Конспект по курсу “Метрология и радио измерения”

Все права принадлежат автору. Никакая часть содержимого конспекта не может быть воспроизведена или передана, в какой либо форме или какими-либо средствами без письменного согласия автора.
8
Л2. Основные положения научной и практической метрологии.
1.1. Основные термины и определения.
Метрология - наука об измерениях, методах и средствах достижения их единства и требуемой точности. Единство измерения – это состояние измерений, при котором их ре- зультаты выражены в условных единицах и погрешности измерений известны с заданной ве- роятностью. Единство измерений необходимо для того, чтобы можно было сопоставить ре- зультаты измерений, проведенных в разное время, в разных местах, различными методами и средствами измерения.
Физическая величина - это свойство общее в качественном отношении для различных объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них.
Пример: длина, масса, величина тока.
Размер физической величины - это количественное содержание в данном объекте свойства соответствующего понятию физической величины.
Значение физической величины - это оценка размера физической величины в виде не- которого числа единиц, принятого для измерений. Пример: 1 м; 10 А.
Истинное значение физической величины - значение физической величины, которое идеальным образом отражало бы в количественном и качественном отношении свойства объекта. На практике истинное значение измеряемой величины, всегда неизвестно. Поэтому используется понятие действительного значения физической величины. Это значение, найденное экспериментальным путём настолько близкое к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него.
Измерение - это процесс экспериментального определения значения физической вели- чины с помощью специальных технических средств.
Точность измерений – характеристика измерений, отражающая близость результатов к истинному значению измеряемой величины.
Погрешность измерения - это величина характеризующая отклонение результата изме- рений от истинного значения.

x = x изм
– x
0

x - абсолютная погрешность выраженная в единицах измерения величины; x
0
- истинное значение измеренной величины.
Так, как истинное значение реально не известно, используется действительное значе- ние, полученное при более точном измерении. Относительная погрешность измерения:

=

x/x
0 *
100%.
Средства измерения - технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические свойства. К ним относятся: эталоны единиц, меры, измери- тельные приборы, установки и системы.
Для обеспечения единства измерений необходима тождественность единиц, в которых проградуированы все средства измерений одной и той же физической величины. Это дости- гается путем точного воспроизведения и хранения установленных единиц физических вели- чин и передачи их размеров применяемым средствам измерений.
Воспроизведение, хранение и передача размеров единиц осуществляются с помощью эталонов и образцовых средств измерений. Высшим звеном в метрологической цепи переда- чи размеров единиц измерений являются эталоны.
Эталон представляет собой средство измерений (или комплекс средств измерений), обеспечивающее воспроизведение и хранение единицы физической величины (или одну из этих функций) с целью передачи размера единицы образцовым, а от них рабочим средствам измерений и утвержденное в качестве эталона в установленном порядке.
Если эталон воспроизводит единицу с наивысшей в стране точностью, он называется первичным. Первичные эталоны основных единиц воспроизводят единицу в соответствии с ее определением. Примером первичного эталона является комплекс средств измерений для

Модуль 1.
Хандамиров В.Л. Конспект по курсу “Метрология и радио измерения”

Все права принадлежат автору. Никакая часть содержимого конспекта не может быть воспроизведена или передана, в какой либо форме или какими-либо средствами без письменного согласия автора.
9 воспроизведения килограмма с помощью платино - иридиевого прототипа и эталонных ве- сов.
Для воспроизведения единиц в особых условиях, в которых прямая передача размера единицы от существующих эталонов технически неосуществима с требуемой точностью
(высокие и сверхвысокие частоты, энергии, давления, температуры, особые состояния веще- ства, крайние участки диапазона измерений и т. п.), создаются и утверждаются специальные эталоны.
Специальный эталон воспроизводит единицу в особых условиях и заменяет в этих условиях первичный эталон.
Примером специального эталона является эталон мощности электромагнитных волн при частотах 2,59... 37,5 ГГц в волноводных трактах.
Первичный, или специальный, эталон, официально утвержденный в качестве исходного для страны, называется государственным. Государственные эталоны утверждаются Государ- ственным комитетом стандартов, и на каждый из них утверждается государственный стан- дарт.
Основное назначение эталонов - служить материально-технической базой воспроизве- дения и хранения единиц физических величин. Принят принцип систематизации эталонов по воспроизводимым единицам.
Основные единицы Международной системы единиц (СИ) должны воспроизводиться с помощью государственных эталонов, т. е. централизованно. Дополнительные, производные, а при необходимости и внесистемные единицы, исходя из соображений технико- экономической целесообразности, воспроизводятся одним из двух способов:
1) централизованно—с помощью единого для всей страны государственного эталона;
2) децентрализовано—посредством косвенных измерений, выполняемых в органах метрологической службы с помощью образцовых средств измерений.
Централизованно воспроизводится большинство важнейших производных единиц СИ
(ньютон, джоуль, Паскаль, ом, вольт, генри, Вебер, и др.), а децентрализовано—производные единицы, размер которых не может передаваться прямым сравнением с эталоном (например, единицы площади) или, если поверка мер посредством косвенных измерений проще, чем их сравнение с эталоном, и обеспечивает необходимую точность (например, меры вместимости и объема). При этом, когда для воспроизведения единицы необходимо специально предна- значенное оборудование, создаются поверочные установки высшей точности. Примером та- кой поверочной установки является тахометрическая установка, сравнивающая частоту вра- щения с частотой образцового генератора.
В метрологической практике широко распространены вторичные эталоны, значения ко- торых устанавливаются по первичным эталонам. Вторичные эталоны являются частью под- чиненных средств хранения единиц и передачи их размера. Они создаются и утверждаются в тех случаях, когда это необходимо для организации поверочных работ и для обеспечения со- хранности и наименьшего износа государственного эталона.
В качестве примеров вторичного эталона можно привести эталон-копию единицы мас- сы (килограмма) в виде платиноиридиевой гири № 26 и рабочий эталон килограмма, изго- товленный из нержавеющей стали.
По своему метрологическому назначению вторичные эталоны делятся на эталоны- копии, эталоны сравнения, эталоны-свидетели, и рабочие эталоны.
Эталон-копия представляет собой вторичный эталон, предназначенный для хранения единицы и передачи ее размера рабочим эталонам. Он не всегда может быть физической ко- пией государственного эталона.
Эталон – сравнения - вторичный эталон, применяемый для сличения эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличаемы друг с другом. Приме-

Модуль 1.
Хандамиров В.Л. Конспект по курсу “Метрология и радио измерения”

Все права принадлежат автору. Никакая часть содержимого конспекта не может быть воспроизведена или передана, в какой либо форме или какими-либо средствами без письменного согласия автора.
10 ром эталона сравнения может служить группа нормальных элементов, применяемая для сли- чения государственного эталона вольта РФ с эталоном вольта Международного бюро мер и весов.
Эталон - свидетель-вторичный эталон, применяемый для проверки сохранности госу- дарственного эталона и для замены его в случае порчи или утраты. Эталон - свидетель при- меняется лишь тогда, когда государственный эталон является невоспроизводимым.
Рабочий эталон -вторичный эталон, применяемый для хранения единицы и передачи ее размера образцовым средствам измерений высшей точности и при необходимости — наибо- лее точным рабочим мерам и измерительным приборам.
Допускается применение государственного эталона в качестве рабочего, если это предусмотрено правилами хранения и применения эталона.
Государственные эталоны всегда осуществляются в виде комплекса средств измерений и вспомогательных устройств, обеспечивающих воспроизведение единицы и в необходимых случаях ее хранение, а также передачу размера единицы вторичным эталонам.
Вторичные же эталоны могут осуществляться в виде: а) комплекса средств измерений, б) одиночных эталонов, в) групповых эталонов, г) эталонных наборов.
Одиночный эталон состоит из одной меры, одного измерительного прибора или одной измерительной установки, обеспечивающих воспроизведение или хранение единицы само- стоятельно без участия других средств измерений того же типа. Примерами одиночного эта- лона являются вторичные эталоны единицы массы - килограмма в виде платиноиридиевой и стальных гирь.
Групповой эталон состоит из совокупности однотипных мер, измерительных приборов или других средств измерений, применяемых как одно целое для повышения надежности хранения единицы.
Размер единицы, хранимой групповым эталоном, определяется как среднее арифмети- ческое из значений, воспроизводимых отдельными мерами и измерительными приборами, входящими в состав группового эталона.
Отдельные меры и измерительные приборы, входящие в групповой эталон, применяют в качестве одиночных рабочих эталонов, если это допустимо по условиям хранения едини- цы.
Групповые эталоны могут быть постоянного и переменного составов. В групповые эта- лоны переменного состава входят меры и измерительные приборы, периодически заменяе- мые новыми.
Эталонный набор представляет собой набор мер или измерительных приборов, позво- ляющих хранить единицу или измерять величину в определенных пределах. Эти меры или измерительные приборы предназначены для различных значений или различных областей значений измеряемой величины.
Измерительные средства делятся так же на меры, измерительные приборы, измери- тельные установки и измерительные системы.
Меры - средства измерений для воспроизведения физических величин заданного раз- мера. Например: кварцевый генератор - мера частоты.
Измерительный прибор - средство измерений для выработки сигналов измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателя.
Измерительные установки - совокупность функционально объединённых средств из- мерений (мер, измерительных приборов и вспомогательных устройств) для выработки сиг- налов измерительной информации в форме, удобной для восприятия наблюдателем и распо- ложенных в одном месте.
Измерительные системы - совокупность средств измерений (мер, измерительных при- боров, измерительных преобразователей и вспомогательных устройств), соединённые между

Модуль 1.
Хандамиров В.Л. Конспект по курсу “Метрология и радио измерения”

Все права принадлежат автору. Никакая часть содержимого конспекта не может быть воспроизведена или передана, в какой либо форме или какими-либо средствами без письменного согласия автора.
11 собой каналами связи, предназначенные для выработки сигналов измерительной информа- ции в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования в других технических средствах.
Средства измерений разделяются на рабочие, образцовые и эталоны.
Рабочие меры и приборы используются для практических измерений.
Образцовые меры и приборы используются для поверки рабочих мер и приборов и градуировки по ним других средств измерений. Они в установленном порядке утверждаются в качестве образцовых.
Поверка производится органами метрологической службы, которые осуществляют надзор за средствами измерений. В результате поверки выясняется, лежит ли погрешность данного средства измерения в паспортных пределах.
Образцовые средства изме- рений хранят и применяют органы
Государственной метрологической службы и органы отраслевых (ве- домственных) метрологических служб.
В качестве образцовых средств измерений применяются меры, измерительные приборы и измерительные устройства, про- шедшие метрологическую атте- стацию и признанные пригодными для использования в качестве об- разцовых. На образцовые средства измерений выдаются свидетель- ства с указанием метрологических параметров и разряда по общего- сударственной поверочной схеме.
На рис. показана метрологи- ческая цепь передачи размеров единиц от первичных эталонов
(верхнее звено метрологической цепи) рабочим эталонам, от них—
разрядным образцовым средствам измерений и далее—рабочим ме- рам и измерительным приборам.
Между разрядами образцо- вых средств измерений существу- ет соподчиненность: образцовые средства измерений 1-го разряда поверяются, как правило, непосредственно по рабочим эталонам, образцовые средства измерений, аттестуемые в каче- стве образцовых 2-го и последующего разрядов, подлежат поверке по образцовым средствам измерений непосредственно предшествующих разрядов. Для разных видов измерений уста- навливается, исходя из требований практики, различное число разрядов образцовых средств измерений, устанавливаемых стандартами на поверочные схемы для данного вида средств измерений.
Как видно из данной схемы (см. рис.), отдельные рабочие меры и измерительные при- боры наивысшей точности могут поверяться по рабочим эталонам; средства измерений выс-

Модуль 1.
Хандамиров В.Л. Конспект по курсу “Метрология и радио измерения”

Все права принадлежат автору. Никакая часть содержимого конспекта не может быть воспроизведена или передана, в какой либо форме или какими-либо средствами без письменного согласия автора.
12 шей точности—по образцовым мерам и измерительным приборам 1-го разряда; высокой точности—по образцовым мерам и измерительным приборам 2-го разряда и т. д.
Средства измерений в качестве образцовых утверждаются органами Государственной метрологической службы, располагающими образцовыми средствами измерений более вы- сокого разряда, чем представляемые для аттестации. В отдельных случаях по разрешению органов Государственной метрологической службы предоставляется право утверждения об- разцовых средств измерений органам отраслевых метрологических служб при наличии у них, требуемых условий.
Все образцовые средства измерений подлежат обязательной периодической поверке в сроки, устанавливаемые правилами Госстандарта.
Для обеспечения правильной передачи размера единиц физических величин во всех звеньях метрологической цепи (от эталонов образцовым мерам, а от них — рабочим мерам и измерительным приборам) должен быть установлен определенный порядок. Этот порядок и приводится в поверочных схемах.
Поверочная схема представляет собой исходный документ, устанавливающий метроло- гическое соподчинение эталонов, образцовых средств измерений и порядок передачи разме- ра единицы образцовым и рабочим средствам измерений.
Исходное положение о поверочных схемах приводится в ГОСТ 8.061—80 «ГСИ. Пове- рочные схемы. Содержание и построение».

Модуль 1.
Хандамиров В.Л. Конспект по курсу “Метрология и радио измерения”

Все права принадлежат автору. Никакая часть содержимого конспекта не может быть воспроизведена или передана, в какой либо форме или какими-либо средствами без письменного согласия автора.
13
Л3
Надежность средств измерений
Средства измерений, как и любые технические устройства и системы, имеют ограни- ченный срок «жизни» (ресурс), так как они морально и физически изнашиваются, т. е. «ста- реют». Моральное устаревание происходит вследствие развития науки и техники. При физи- ческом старении (износе) средство измерений не выдерживает гарантированных изготовите- лем границ погрешностей, что выявляется при периодических поверках данного средства.
В связи со сказанным возникают проблемы надежности измерительных средств, тесно связанные с их свойствами и погрешностью измерений. Под надежностью средства измере- ний понимают вероятность того, что оно может функционировать в предписанных условиях без нарушения заданных границ характеристик и параметров, в частности, границ погрешно- стей.
Выход за пределы поля допуска (метрологическая надежность) следует отличать от полного отказа (аппаратурная надежность), однако это отличие условно. Выход за пределы поля допуска и полный отказ представляют собой случайные события, оцениваемые вероят- ностью безотказной работы (являющейся одним из показателей надежности). Показатели надежности можно задать по опыту длительной эксплуатации средств измерений либо по результатам ускоренных испытаний таких средств с повышенными требованиями к эксплуа- тационным параметрам. Для сложных устройств и систем показатели надежности оценивают по характеристикам надежности отдельных элементов этих устройств (систем), рассмотрен- ным ниже.
Надежность работы технического устройства до его катастрофического отказа (утраты работоспособности), при котором оно не может продолжать выполнять свои функции, оце- нивают вероятностными характеристиками случайной величины - наработки до отказа Т.
Под наработкой понимают продолжительность или объем работы устройства, измеряемые в часах, циклах, километрах или других единицах. Полную характеристику любой случайной величины дает ее закон распределения, т. е. соотношение между возможными значениями случайной величины (в данном случае - наработки до отказа) и соответствующими этим зна- чениям вероятностями. Распределение наработки до отказа может быть описано с помощью различных показателей надежности неремонтируемых устройств. К их числу относятся: а) функция надежности R(t); б) плотность распределения наработки до отказа (является произ- водной функции надежности); в) интенсивность отказов

(t); г) функция ненадежности
1- R(t).
Чаще других показателей надежности на практике используют интенсивность отказов

(t) - условную плотность вероятности возникновения отказа неремонтируемого устройства, определяемую для рассматриваемой наработки, если до этой наработки отказа не было. Ин- тенсивность отказов можно рассматривать как относительную скорость уменьшения значе- ний функции надежности с увеличением интервала (0, t) либо как количество устройств из заданного количества однотипных устройств, отказавших в интервале времени наблюдения:
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
1 1
t
R
t
R
t
R
t
R
t
R
t
n
n
n








Здесь R(t) -непрерывная и дифференцируемая функция. Гра- фик интенсивности отказов старею- щего устройства представляет собой прямую,

(t) = const.