ПӘннің ОҚУ-Әдістемелік кешені

МЕТРОЛОГИЯ

Метрология теориялық, заңнамалық және қолданбалы метрология деп аталатын дербес және бір-бірін толықтыратын үш бөлімнен құралады.

Теориялық метрология негізгі болып табылады.

Теориялық метрология осы ғылымның іргелік негіздерін, өлшем бірліктері жүйелерін, физикалық тұрақтыларды, жаңа өлшеу әдістерін зерттеп дайындаумен шұғылданады.

Заңнамалық метрология мемлекетте қолданылуы рұқсат етілген өлшем бірліктеріне, өлшеу әдістеріне, өлшеу құралдарына, өлшеу жүргізетін зетрханаларға қойылатын мемлекеттік талаптарды тағайындайды.

Қолданбалы метрология теориялық метрология нәтижелері мен заңнамалық метрология жағдайларын әртүрлі салалардың практикалық қызметінде қолдану мәселелерімен шұғылданады.

Практикалық қызметте өлшеулер жүргізілмейтін ешқандай сала кездеспейді. Кез келген талдау, болжау, жоспарлау, бақылау, реттеуді жүргізу үшін шикізат, дайын өнімнің көлемі мен сапасы туралы шын ақпарат, технологиялық операцияның, бүкіл өндірістік циклдың жүруі туралы ақпарат қажет болып табылады. Бұл ақпаратты әртүрлі физикалық шамаларды, көрсеткіштерді және параметрлерді өлшеу арқылы алады.

Қажетті дәлдікпен алынған шынайы өлшеу ақпараты қабылданған шешімдердің дұрыстығын қамтамасыз етеді. Шынайы болып табылмайтын ақпарат өнім сапасының төмендеуіне, апаттарға, ғылыми зерттеу бойынша теріс қорытынды шығаруға, сауда операцияларында салмақты қате өлшеуге апарып соғуы мүмкін.

Бірыңғай тәсілдеме қолдану өзара түсінушіліктің, ақпарат алмасудың, өлшеу әдістері мен құралдарын стандарттаудың, тауар айналымының халықаралық жүйесінде өлшеу нәтижелерін өзара мойындаудың кепілі болып табылады.

Өлшеу бірлігі – нәтижелері заңмен бекітілген өлшеу бірліктерімен берілетін және өлшеу қателігі белгілі ықтималдықпен бекітілген шек ішінде болумен сипатталатын өлшеулердің жай-күйі. Бұл анықтама өлшеу нәтижелерін өлшенетін шаманың ұдайы қайталанатын бірліктеріне келтіру, өлшеулердің дәлдігін көрсету және олардың дәлдігіне кепілдік беру қажет екендігін көрсетеді.

Өлшеу бірлігін қамтамасыз ету – метрологиялық қызметтердің өлшеу бірлігіне қол жеткізу және оны сақтауға бағытталған әрекеттері. Бұл әрекеттер заңнамалық актілер мен мемлекеттік өлшеу бірлігін қамтамасыз ету жөніндегі стандарттар немесе басқа да номативтік құжаттарда тағайындалған ережелер мен нормаларға сәйкес жүргізіледі.

Өлшеу бірлігін қамтамасыз етудің негізгі мақсаты Қазақстан Республикасы азаматтарының мүдделерін және экономикасын өлшеулердің теріс нәтижелері салдарынан қорғау болып табылады.

Басқа мақсаттары:

- отандық және импортталған өнімдердің, процестердің (жұмыстардың) және көрсетілетін қызметтердің қауіпсіздігі мен сапасын қамтамасыз ету;

- іргелі зерттеулерде және ғылыми талдамаларда өлшеулердің дүрыстығын қамтамасыз ету;

- материалдық және энергетикалық ресурстардың барлық түрлерінің дүрыс есепке алынылуын қамтамасыз ету;

- сырқаттарды диагностикалау және емдеу, адам еңбегінің және тұрмыстық жағдайларының қауіпсіздігін бақылау, қозғалыс қауіпсіздігін қамтамасыз ету, қоршаған ортаны қарғау кезінде сенімді өлшеу нәтижелерін қамтамасыз ету болып табылады.

Метрологияның төмендегі негізгі функцияларын атап көрсетуге болады:

- өнімді салмағы, ұзындығы, көлемі, шығындалуы, қуаты, энергиясы бойынша есепке алу мақсатында өлшеу;

- өнімнің сапасын сынау және бақылау, сырқаттарды диагностикалау және емдеу, ғылыми зерттеулерді, қоршаған ортаның жай-күйін бақылау жүргізілген кезде физикалық шамаларды, параметрлерді, процестердің сипааттарын, заттар мен материалдардың құрамы мен қасиеттрін өлшеу;

- технологиялық процестерді реттеу, транспорттың қозғалу қауіпсіздігін, байланыстың сапасын және сенімділігін қамтамасыз ету мақсатында өлшеу.

Өлшеусіз қызметтің ешқандай түрлері жүргізілмейді. Көптеген өндіріс салаларында өлшеулермен байланыстағы шығындардың көлемі күрделі қаржылардың 30 %-нен артығын құрайды. Метрологияның әсіресе материалдық, энергетикалық және т.б. ресурстарды үнемдеу мәселесін шешудегі ролі өте маңызды болып табылады. Ақиқат түрде есепке алу үнемдеудің және материалдық құндылықтардың, электр және жылу энергиясының, мұнай және мұнай өнімдерінің, газ, су ресурстарының шығындарын азайтудың негізі болып табылыды.

Метрологиялық қызметтердің болмауы, өлшем бірлігін қамтамасыз ету жөніндегі ережелер мен жағдайлардың бұзылуы өнімнің сапасын бақылау, технологиялық процестерді реттеу, сырқаттарды емдеу және т.б. жүргізілген өлшеулер кезінде үлкен шығындырға апарып соғады.

Өнім шығару, дайын өнімнің сапасын бағалау кезінде өлшеулердің жай-күйіне ғана емес, сонымен бірге технологиялық процесті белсенді бақылау арқылы сол процестің сапалық көрсеткіштерін бақылау қажет.

Өлшеу техникасының (өлшеу құралдары және өлшеуге арналған техниканың) деңгейі бойынша өнеркәсіптік дамыған мемлекеттердің ғылыми және техникалық потенциалының көрсеткіштері бағаланады.


Лекция 10-11. Метрологияның негізгі қағидалары
2.1. Физикалық қасиеттер мен физикалық шамалар

2.1.1. Шамалардың жіктелуі

Шамалар

Реальный

Сурет. Шамалардың жіктелуі

Реал шамалар өз кезегінде физикалық және физикалық емес шамаларға бөлінеді. Жалпы жағдайда физикалық шама деп жаратылыстану (физика және химия) және техника ғылымдарында зерделенетін материалдық объектілерге (процестерге, құбылыстарға) тән шамаларды айтуға болады. Физикалық емес шамаларға қоғамтану (физикалық емес) ғылымдырға – философия, социология, экономика және т.б.) тән шамалар жатады.

Стандарт бойынша физикалық шама – сапалық жағынан көптеген физикалық объектілерге ортақ, ал сандық жағынан олардың әрқайсысы үшін өзіне тән болып табылатын физикалық объект қасиеттерінің бірі. Өзіне тән қасиеті дегенде біз бұл қасиет бір объект үшін басқа объектілерге қарағанда бірнеше есе көп немесе аз болу мүмкіндігін айтамыз. Сонымен физикалық шамалар – физикалық объектілер немесе процестердің өлшеу арқылы алынған қасиеттері. Осы қасиеттері бойынша физикалық объектілерді зерделеп тануға болады.

Физикалық шамаларды өлшенетін және бағаланатын шамаларға бөлуге болады. Өлшенетін шамалар сандық мәндермен (бекітілген өлшем бірліктерінің бірнеше санымен) көрсетілуі мүмкін. Өлшем бірліктерін енгізу және қолдану мүмкіншілігінің болуы өлшенетін физикалқ шамалардың айрықша көрсеткіші болып табылады. Әртүрлі себептерден өлшем бірлігін енгізуге болмайтын физикалық шамаларды тек бағалауға болады. Бұл жағдайда шамаға бекітілген тәртіп бойынша белгілі сан мөлшерін бекіту операциясын бағалау деп айтады. Шаманы бағалау шкалаларды қолдану арқылы жүзеге асырылады. Шаманың шкаласы - нақты өлшеу нәтижесі негізінде келісім бойынша қабылданған оның мәндерінің реттелген тізбегі.

Физикалық емес шамалар тек қана бағаланылуы мүмкін. Өйткені олар үшін өлшем бірлігін енгізу ешқандай жағдайда мүмкін емес. Физикалық емес шамаларды бағалау метрологияның мақсаттарына жатпайды.















Физикалық шамаларды былай жіктеуге болады (сурет).

Физикалық шамалар

Сурет. Физикалық шамалардың жіктелуі

Әртүрлі физикалық процестер топтарына жатуы бойынша физикалық шамалар: кеңістіктік- уақыттық, механикалық, жылу, электрлік және магниттік, акустикалық, жарық, физико-химиялық, ионизирлеуші сәулелер, атомдық және ядролық физика шамаларына бөлінеді.

Басқа шамалардан шартты тәуелсіздігі бойынша физикалық шамалар негізгі (шартты түрде тәуелсіз), туынды (шартты түрде тәуелді) және қосымша деп бөлінеді. Қазіргі кезде SI жұйесінде жеті негізгі деп танылған физикалық шамалар қолданылады: ұзындық, уақыт, масса, температура, электр тогының күші, жарық күші және зат мөлшері. Қосымша физикалық шамаларға жазықтық және денелік бұрыштар жатады.

Өлшемдігі болуы бойынша физикалық шамалар өлшемді, яғни өлшемі бар, және өлшемсіз деп бөлінеді.

Өзіне тән қасиеті дегенде біз бұл қасиет бір объект үшін басқа объектілерге қарағанда бірнеше есе көп немесе аз болуы мүмкүндігін айтамыз. Физикалық шама мысалдары ретінде тығыздық, балқу температурасы, жарықтың сыну корсеткішін және тағы басқаларды келтіруге болады.

Өлшеуді жүзеге асыру үшін физикалық шаманың, өлшеу әдісінің, өлшеу құралының, оператордың, өлшеуді жүзеге асыру үшін қажетті жағдайлардың болуы қажет.

Өлшеу мақсаты – физикалық шаманың мәнін қолдануғы ыңғайлы түрде алу болып табылады.

Физикалық шама мөлшерімен, мәнімен, сандық мәнімен, шынайы және іс жүзіндегі мәндерімен сипатталады.

Шаманың мөлшері және мәні арасында айырмашылық бар. Шаманың мөлшерін осы шаманың кез келген бірлігімен сандық мәні арқылы көрсетуге болады. Сандық мән таңдалған бірлікке байланысты өзгереді, ал физикалық шаманың мөлшері бірқалыпты болады.

Физикалық шаманың сандық мәнін табу әдісі бойынша барлық өлшеулер 4 негізгі түрге бөлінеді: тура өлшеу, жанама өлшеу, жиынтық өлшеу және бірге өлшеу.

Жанама өлшеу мына жағдайларда жүргізіледі:

- өлшенетін шаманың мәнін тура өлшеуге қарағанда жанама өлшеу арқылы табу жеңілге түседі;

- шаманы тура өлшеу мүмкүн емес;

- жанама өлшеу тура өлшегенге қарағанда төмендірек қателік береді.

Жанама өлшеудің теңдеуі:

мұндағы: y – ізделетін шама, тура өлшеу арқылы табылған х₁, х₂, х_n аргументтердің функциясы болып табылады.

Жанама өлшеу мысалдары: металдың қаттылығын (НВ) диаметрі (D) белгілі болат шарикті белгілі салмақпен (Р) басып, ойылған жердің тереңдігін (h) алу арқылы мына формула бойынша табу:

Жиынтық өлшеу – бірнеше аты бір шаманы бір уақытта өлшеу. Өлшенетін шаманың мәнін тура өлшеу жолымен алынған теңдеулер жүйесін шешу арқылы табады.

Мысалы, жиынтыққа кіретін әр гирянің массасын олардың біреуінің белгілі массасы бойынша және гирялардың әртүрлі сочетаниесінің массаларын тура салыстыру нәтижесінде табу.

а) дәлдікті сипаттау бойынша – бір дәлдікті (белгілі шаманы дәлдігі бірдей өлшеу құралдармен біркелкі жағдайда өлшеу қатары (көп есе өлшеу) және бір дәлдікті емес (белгілі шаманы бірнеше дәлдігі әртүрлі өлшеу құралдармен және (немесе) бірнеше әртүрлі жағдайда өлшеу қатары);

б) қатардағы өлшеулер саны бойынша (қатар жүргізілген өлшеу саны бойынша) – бір есе және көп есе өлшеу;

в) өлшенетін шаманың өзгеру-өзгермеуіне байланысты – статикалық (уақыт ішінде өзгермейтін физикалық шаманы өлшеу, мысалы, бөлшектің ұзындығын қалыпты температурада немесе жер учаскесінің өлшемдерін өлшеу) және динамикалық (уақыт ішінде өзгеретін физикалық шаманы өлшеу, мысалы ауыспалы электр тогының кернеуін өлшеу, қонып келе жатқан ұшақ пен жер арасындағы қашықтықты өлшеу).

г) өлшеу нетижесін білдіру түрі бойынша – абсолют өлшеу (шаманы тура өлшеу және (немесе) физикалық тұрақтылардың мәнін қолдануда негізделген өлтеулер, мысалы, күшті (F) өлшеу массаны тура өлшеу және физикалық тұрақтыны (g) қолдануда негізделеді) және салыстырмалы өлшеу (шаманы өзі сияқты (бір атты) бірлік ролін атқаратын шамамен салыстыру).


Лекция 13. Өлшеу принциптері мен өлшеу әдістері
Өлшеу принциптері.

Өлшеу принцибі - өлшеу негізіне қойылатын құбылыс немесе эффект.

Кейбір өлшеулер негізіне қойылатын принциптерді қарастырайық.

Егер әртүрлі материалдан жасалған екі электродтың спайкаланған жерін қыздыратын болсақ, онда электр қозғалтқыш күш пайда болады. Бұл құбылыс температураны жоғарғы дәлдікпен өлшеу негізіне қойылған (термопара).

Электр өткізгіш және жартылай өткізгіштерді қыздыратын болсақ, олардың сопротивлениесі өзгереді. Бұл құбылыс та температураны жоғарғы дәлдікпен өлшеуге мүмкүндік береді, әсіресе платина қолданған кезде.

Кейбір материалдарды созу несесе қысу кезінде олардың электр сопротивлениесі өзгереді. Бұл құбылыс аз мөлшердегі дене деформациясын, сондай-ақ жоғары және өте жоғары қысымдарды өлшеу үшін қолданылады.

Метал және жартылай өткізгіштің шекарасында сәуле түскен кезде электр қозғалтқыш күш пайда болады (фотоэффект). Фотоэффект құбылысында көптеген өлшеу құралдарында қолданылатын фотоэлементтердің жұмысы негізделген.

Дене шығаратын жарықтың қарқыны температурадан тәуелді, ал соңғысы (температура) өз кезегінде денені қыздырушы токтың күшінен тәуелді болып табылады. Бұл құбылыс температураны контактсыз өлшеу әдісінің негізіне қойылған (оптикалық пирометр).

Заттардың құрамын немесе қасиетін өлшеу немесе физикалық шаманы өлшеу үшін белгілі өлшеу әдісі қолданылады.

Өлшеу әдістері былайша жіктеледі.

А) Өлшеу нәтижесін алудың жалпы амалдары бойынша:

1. 
   тура әдіспен өлшеу – тура өлшеу кезінде жүзеге асырылады;
   
2. 
   жанама әдіспен өлшеу – жанама өлшеу кезінде жүзеге асырылады;
   

1. 
   контактты әдіспен өлшеу - өлшеу құралының сергіш элементі объектімен контактта болады (дене температурасын термометрмен өлшеу)
   
2. 
   контактсыз әдіспен өлшеу - өлшеу құралының сергіш элементі объектімен контактта болмайды (объектке дейінгі қашықтықты радиолокатормен өлшеу, домна пешінің температурасын пирометрмен өлшеу).
   

1. 
   тікелей бағалау әдісі;
   
2. 
   өлшеммен салыстыру әдісі.
   

Аса дәлдікпен өлшеу керек болған жағдайда өлшеммен салыстыру әдісі қолданылады. Бұл әдіс бойынша өлшенетін шаманы өлшем сақтайтын (ұдайы қайталайтын) мөлшермен салыстырады. Мысалы, тұрақты токтың кернеуін қалыпты элементтің электр қозғалтқыш күшімен компенсатор арқылы өлшеу.

• 
  қарсы қою әлісі;
  
• 
  дифференциалдық әдіс;
  
• 
  нольдік әдіс;
  
• 
  сәйкес келтіру әдістері;
  
• 
  орнын басу әдісі.
  

Дфференциалдық әдісте шаманың мөлшері өлшенетін мөлшерге жуық болуы керек болса, нольдік әдістің жақсы жері - өлшенетін мөлшерден көп есе аз өлшемді қолдануға болады. Мысалы, рычагты таразыда 1 кг-дық гирямен 100, 1000 кг және одан да үлкен массаны теңестіруге болады.

Бұл принцип штангенциркульдің нониусын құрудың негізіне қойылған. Совпадение әдісі уақыт сигналдарын қабылдау кезінде, биениені интерференцияны, стробоскоп эффектін пайдалану кезінде қолданылады.