Введение. Важнейшими проблемами, стоящими перед нашей страной, является повышение качества выпускаемой продукции

Важнейшими проблемами, стоящими перед нашей страной, является повышение качества выпускаемой продукции, ресурсосбережение, охрана окружающей среды. Успешное их решение во многом зависит от уровня метрологии - уровня культуры измерений.

Это связано в первую очередь с тем, что измерения - единственный способ получения количественной информации о величинах, характеризующих те или иные явления и процессы в любой отрасли знания и производства.

Оценка точности производимых измерений, т.е. качество этой информационной продукции, имеет как теоретическое, так и прикладное значение. Обеспечение высокой точности измерения - сложная задача, и решение её лежит в сфере метрологического обеспечения.

Развитие рыночных отношений, перспектива вступления России в ВТО, необходимость форсированного развития отечественной науки и техники в настоящее время предъявляет непрерывно возрастающие требования к качеству подготовки технических кадров, а это, в свою очередь, выдвигает проблему повышения эффективности обучения. Эта проблема особенно остро стоит в высших учебных заведениях, занятых подготовкой специалистов в области управления качеством и умения пользоваться контрольно-измерительными приборами и средствами автоматики.

На сегодняшний день важнейшее значение приобретает применение приемов практического обучения, правильное сочетание в практическом процессе теоретических знаний с выполнением студентами практических и лабораторных работ.

Известна высокая эффективность лабораторных работ как метода обучения. В высших учебных заведениях разрабатываются и внедряются лабораторные практикумы по ряду специальных предметов. Конкретный сборник предназначен для более подробного изучения курсов «Методы и средства измерений, испытаний и контроля», «Теплотехнические измерения».

Данный сборник предназначен для выработки навыков прикладной метрологии, выбора средств измерений и испытаний по дисциплине «Методы и средства измерений, испытаний и контроля», «Теплотехнические измерения».

Целью сборника является научиться анализировать объект измерения; по анализу измерений научиться делать выбор средств измерения, оценку коэффициента точности и изучение устройства и конструкции средства измерения; научиться организовывать фиксацию (детерминирование) результатов наблюдения при измерениях или испытаниях, а также научиться обработке результатов наблюдения.

Получение необходимой измерительной информации с минимальными и временными затратами требует внимательного подхода к подготовке и проведению эксперимента при измерении физических величин. Важным в понимании места измерительного эксперимента является то обстоятельство, что измерения проводят не ради измерений, а для достижения цели, поставленной в том или ином исследовании. В зависимости от цели измерения решаются такие задачи:

- что измерить, с какой точностью измерить;

- как измерить и главное чем, каким прибором измерить, какое средство измерений выбрать для выполнения более точных измерений.

Средство измерения - это техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические свойства.

Выбор средства измерения определяется измеренной величиной, принятым методом измерений и требуемой точности результата измерений, которая определяется нормой из нормативно-технической документации.

Измерения с применением средств измерений недостаточной точностью малоценны (даже бессмысленны). Применение излишне точных средств измерения экономически невыгодно. Необходимо при этом учитывать также диапазоны средств измерений. Кроме того, необходимо учитывать условия измерения, эксплуатационные характеристики качества средств измерения и их стоимость и самое главное основное внимание необходимо уделять погрешности измерений.

Измерения в зависимости от способа обработки экспериментальных данных - результатов наблюдений, для нахождения результата измерений, относят к прямым измерениям, косвенным или совокупным.

Выбор метода измерений определяется принятой моделью измерения и доступными или имеющимися средствами измерения. Выбор средств измерения складывается из следующих этапов: сбор исходных данных; определение первоначальной совместимости средств измерения; расчет требуемой точности измерения; выбор конкретного средства измерения из первоначальной совместимости. Сбор исходных данных необходим для четкой постановки измерительной задачи, то есть для выявления состава, характеристик и условия проведения измерений. Также определяются особенности подключения средства измерения к объекту, допустимая продолжительность измерений, возможные ограничения габаритных масс, стоимостных и других характеристик средства измерения.

При анализе условий, в которых будут проводиться измерения или измерительный контроль, определяются:

а) уровни механических нагрузок (вибраций, ударов);

б) климатические условия (температура, влажность);

в) наличие или отсутствие активной разрушающей среды, в которой будут эксплуатироваться средства измерений и их элементы;

г) наличие электрических или магнитных помех (полей).

Перечисленные исходные данные позволяют выявить совместимость средства измерения, из которых и будет произведен выбор прибора, необходимого для измерения или измерительного контроля конкретного параметра.

При этом выбранные средства измерения должны удовлетворять следующим требованиям:

- обладать требуемым уровнем безотказности, необходимым техническим ресурсом и гарантийным сроком службы;

- обеспечивать простоту, удобство и безопасность применения, технического обслуживания и ремонта;

- обладать необходимым быстродействием;

- устойчивость средства измерения к внешним воздействующим факторам, которая должна быть такой, чтобы обеспечивалась их нормальная работа в условиях измерения (измерительного контроля) параметров.

Основными характеристиками средств измерений являются погрешности. Суммарная погрешность с входящими в её состав предельными погрешностями определяется по формуле (1):

, (1)
где - суммарная погрешность;

- предельная погрешность метода;

- предельная допускаемая погрешность используемых средств измерения;

- предельная погрешность, обусловленная влиянием внешних факторов;

- предельная погрешность, вносимая оператором;

- допускаемая погрешность измерений.

В данном сборнике измерения делятся по разделам на следующие области:

- геометрические измерения;

- механические измерения;

- измерения теплоты;

- измерения расхода;

- измерения давления;

- измерения вязкости материалов и жидкости;

- измерения электрических величин;

- измерения величин магнетизма;

- измерения колебаний механических величин;

- измерения колебаний электрических величин;

- измерение акустики;

- измерение лучистой энергии;

- измерения оптических величин.

Лабораторную работу выполняют в следующей последовательности:

1) выбрать свой вариант;

2) провести измерения и записать результаты наблюдений (3 и более).

Мероприятия, выполняемые перед началом измерений. Каждый человек, выполняющий измерения, выполняет обязанности оператора измерения. При подготовке к измерениям оператор должен:

- ознакомиться с методикой выполнения измерений (МВИ) и последовательностью выполнения операций. Расчет требуемой точности выбранного средства измерений должен быть приведен в методике выполнения измерений (МВИ), но если под рукой МВИ нет, то такой расчет делается на уровне метрологической экспертизы по формуле (2):

(2)

где К_т - коэффициент точности;

δ_доп – поле допуска измерений;

Δ_п.д.п. – предельно допускаемая погрешность в составе НСП.

- проверить наличие необходимого комплекта СИ и вспомогательных материалов;

- должен убедиться в том, что основные и вспомогательные средства измерения имеют действующие свидетельства о поверке или калибровке. Если действующего свидетельства нет, нужно убедиться в наличие поверительного клейма или пломбы. Если и этого нет, то пользоваться таким средством измерения нельзя, так как оно может привести к заведомо неверным результатам наблюдений;

- выполнить операции по созданию необходимых условий измерений, включая требования безопасности (личной);

- опробовать средство измерения, включить, проверить действие органов управления, убедиться в том, что прибор реагирует на ручки управления, настройки. Если средства измерения снабжены средствами самоконтроля, то выполнить соответствующие операции.

- провести 2 - 3 пробных наблюдения и сравнить результаты наблюдений с ожидаемыми результатами измерений. Принять меры для устранения ошибок.

Указания по безопасности. К обслуживанию приборов должны допускаться лица, ознакомленные с их назначением, схемой и устройством.

При работе с приборами необходимо соблюдать общие правила безопасности труда.

Должна обеспечиваться безопасность прибора прочностью измерительных систем и конструкций.

Эксплуатация изделия разрешается только при наличии инструкции по безопасности.

При эксплуатации, техническом обслуживании и поверке необходимо соблюдать требования ГОСТ 12.3.019-80, «Правил технической эксплуатации электроустановок потребителей» и т.д.

Для проведения лабораторной работы и оформления результатов необходимо:

1 ознакомиться с теоретической частью лабораторной работы, которая содержит общие сведения о конкретном приборе, порядке проведения измерений на данном приборе;

2 следуя указаниям, провести измерения с помощью данного прибора;

3 записать результаты в таблицу;

4 провести статистическую обработку результатов;

Целью обработки результатов измерений (наблюдений) является установление значения измеряемой величины и оценка погрешности полученного результата измерения.

При статистической обработке результатов наблюдений выполняют следующие операции:

- исключают известные систематические погрешности из результатов наблюдений;

- проводят расчет случайных погрешностей.

Проводят «n» наблюдений при измерении, если есть их различие по величине - и , то поправки существуют и следует оценить норму однократности измерений. К таким нормам относятся известные зависимости

; ; ,

Определяем N_сост.

N_сост – это количество погрешностей, которые влияют на результаты наблюдения. Если N ≤ 3, то НСП вычисляется по формуле (3):

, (3)

если N ≥ 4, то используют формулу (4):

, (4)

где K_t- коэффициент Стьюдента.

N_сост - есть совокупность 4-х составляющих:

1-я составляющая - это предельнодопустимая погрешность СИ;

2-я составляющая – это погрешность оператора, которая равна 5 % от предельнодопустимой погрешности;

3-я составляющая – это погрешность, учитывающая все влияющие на измерения факторы.

4-я составляющая – поправка от исключенной систематической погрешности.

Среднее арифметическое определяют по формуле (5):

, (5)

СКО результатов наблюдений обозначается S или σ и вычисляют по формуле (6):

S(x) = , (6)

где - среднеарифметическое значение.

Дисперсия будет равна

, (7)

Если делим на и получаем численное соотношение , то величиной - НСП пренебрегают и окончательно вычисляют погрешность результата измерения по формуле (8):

=Δ р, (8)

где - значение нормированной функции Лапласа в точке P/2 при доверительной вероятности P = 0.99 (таблица 1)

Таблица 1 – Значение коэффициента Лапласа

N	Значение при Р
	0,9	0,95	0,99
	1,412	1,414	1,414
	1,689	1,710	1,728
	1,869	1,917	1,972
	1,996	2,067	2,161
	2,093	2,182	2,310
	2,172	2,273	2,431
	2,237	2,349	2,532
	2,294	2,414	2,616
	2,387	2,519	2,753
	2,461	2,602	2,855
	2,523	2,670	2,946

Если , то пренебрегают, и за погрешность принимают = Δ р.

Если , то проводят расчет по ниже приведенным формулам (9,10,11,12)

= K_∑[Θ(P) + (P)], (9)

K_∑= , (10)

, (11)

(P) =Z_p/2 · S(x), (12)

K_∑ сверяют по таблице 2

Таблица 2 – Значения суммарного коэффициента [5]

Обозначение величины	Значение величины
g		0,3	0,5	0,7	1,0	1,5	2,0	3,0	4,0	5,0
	1,00	0,80	0,75	0,72	0,71	0,72	0,75	0,79	0,82	0,85

5 оформить отчет проведения лабораторной работы.

Более подробную информацию по статистической обработке результатов можно получить из сборника «Методы и средства измерений, испытаний и контроля», где подробно описан теоретический материал и приведены необходимые формулы [24].

Лабораторные работы далее изложены по видам измерений в соответствующих разделах.