1 Лекция 1. Лекция введение основные понятия и термины метрологии. Воспроизведение физических величин и единство измерений
 Скачать 1.26 Mb.
|
|
Изменение метрологических характеристик СИ в процессе эксплуатации Метрологические характеристики СИ могут изменяться в процессе эксплуата- ции. В дальнейшем будем говорить об изменениях погрешности A(t), подразуме- вая, что вместо нее может быть аналогичным образом рассмотрена любая другая MX. Следует отметить, что не все составляющие погрешности подвержены измене- нию во времени. Например, методические погрешности зависят только от исполь- зуемой методики измерения. Среди инструментальных погрешностей есть много со- ставляющих, практически не подверженных старению [29], например размер кван- та в цифровых приборах и определяемая им погрешность квантования. Изменение MX средств измерений во времени обусловлено процессами старе- ния в его узлах и элементах, вызванными взаимодействием с внешней окружаю- щей средой. Эти процессы протекают в основном на молекулярном уровне и не зависят от того, находится ли СИ в эксплуатации или на консервации. Следова- тельно, основным фактором, определяющим старение СИ, является календарное время, прошедшее с момента их изготовления, т. е. возраст. Скорость старения за- висит прежде всего от используемых материалов и технологий. Исследования [12] показали, что необратимые процессы, изменяющие погрешность, протекают очень медленно и зафиксировать эти изменения в ходе эксперимента в большин- стве случаев невозможно. В связи с этим большое значение приобретают различ- ные математические методы, на основе |й(торых строятся модели изменения по- грешностей и производится прогнозирование метрологических отказов. Задача, решаемая при определении метрологической надежности СИ, состоит в нахождении начальных изменений MX и построении математической модели, экстрадодирующей полученные результаты на большой интервал вр?меде*. По- скольку изменение MX во времени — случайный процесс, то основным инструментом построения ма- тематических моделей является теория случайных процессов. 44 Модель изменения погрешности во времени (а), плотность распределения времени наступления метрологических отказов (б), вероятность безотказной работы (в) и зависимость интенсивности метрологических отказов от времени (г) Изменение погрешности СИ во времени представляет собой случайный не- стационарный процесс. Множество его реализаций показаны на рис. 4.1 в виде кривых А модулей погрешности. В каждый момент /, они характеризуются неко- торым законом распределения плотности вероятности р{A, t) (кривые 1 и 2 на рис. 4.1,о). В центре полосы (кривая Д ср (/) наблюдается наибольшая плотность появле- ния погрешностей, которая постепенно уменьшается к границам полосы, теоретиче- ски стремясь к нулю при бесконечном удалении от центра. Верхняя и нижняя границы полосы погрешностей СИ могут быть представлены лишь в виде неко- торых квантильных границ, внутри которых заключена большая часть погрешно- стей, реализуемых с доверительной вероятностью Р. За пределами границ с вероят- ностью (1 - Р)/2 находятся погрешности, наиболее удаленные от центра реализа- ции. Для применения квантильного описания границ полосы погрешу ностей в каж- дом ее сечении t необходимо знать оценки математ» ческого ожидания A cp (t) и СКО a & (t) отдельных реализаций А}. 1 Значение погрешности на границах в каж- дом сечении /. равно \(t) I = А с (t) ± к а & ((), где к — квантильный множитель, соот- ветствую- [ щии заданной доверительной вероятности Р, значение которого су-1 щественно зависит от вида закона распределения погрешностей по ] сечениям. Определить вид этого закона при исследовании процессов ] старения СИ практиче- ски не представляется возможным. Это связано с тем, что законы распределения могут претерпевать значительные изменения с течением времени. Для решения данной проблемы предлагается [12; 29] использовать общее для вы- сокоэнтропийных симметричных законов распределения свойство, состоящее в том, что при доверительной вероятности Р= 0,9 соответствующие 5%- и 95%-ный кванти- ли отстоят от центра распределения Д ср (/) на ±1,6о д (/). Если предположить, что закон распределения погрешностей, деформируясь со временем, остается высокоэнтро- пийным и симметричным, то 95%-ный квантиль случайного нестационарного про- 45 цесса изменения погрешности во времени может быть описан уравнением А 095 (/) = Д ср (/) ± l,6a A (t). Метрологический отказ наступает при пересечении кривой А 7 . прямых ± Д пр Отказы могут наступать в различные моменты времени в диапазоне от t min до t mM (см. рис. 4.1, а), причем эти точки являются точками пересечения 5%- и 95%-ного квантилей с линией допустимого значения погрешности. При достижении кри- вой Д 095 (0 допустимого предела Д пр у 5% приборов наступает метрологический от- каз. Распределение моментов наступления таких отказов будет характеризоваться плотностью вероятности p H {t), (см. рис. 4.1, б). Таким образом, в качестве модели нестационарного случайного процесса изменения во времени модуля погрешно- сти СИ целесообразно использовать зависимость изменения во времени 95%-ного квантиля этого процесса. Показатели точности, метрологической надежности и стабильности СИ соот- ветствуют различным функционалам, построенным на траекториях изменения его MX Д ; (/). Точность СИ характеризуется значением MX в рассматриваемый мо- мент времени, а по совокупности средств измерений — распределением этих значений, представленных кривой 1 для начального момента и кривой 2 для мо- мента t:. Метрологическая надежность характеризуется распределением моментов времени наступления метрологических отказов (см. рис. (4.U6). Стабильность СИ характеризуется распределением приращений MX за заданное время. Метрологическая надежность и межповерочные интервалы Одной из основных форм поддержания СИ в метрологически исправном со- стоянии является его периодическая поверка. Она проводится метрологически- ми службами согласно правилам, изложенным в специальной нормативно- технической документации. Периодичность поверки должна быть согласована с требованиями к надежности СИ. Поверку необходимо проводить через опти- мально выбранные интервалы времени, называемые межповерочц ными интер- валами (МПИ). Момент наступления метрологического отказа может выявить только поверка СИ, результаты которой позволят утверждать, что отказ произошел в период вре- мени между двумя последними поверками. Величина МПИ должна быть опти- мальной, поскольку частые поверки приводят к материальным и трудовым за- тратам на их организацию и проведение, а редкие — могут привести к повыше- нию погрешности измерений из-за метрологических отказов. Межповерочные интервалы устанавливаются в календарном времени для СИ, изменение метрологических характеристик которых обусловлено старением и не зависит от интенсивности эксплуатации. Значения МПИ рекомендуется выбирать из следующего ряда: 0,25; 0,5; 1; 2; 3; 4; 5; 6; 9; 12; 6К месяцев, где К — целое положи- тельное число. Для СИ, у которых изменение MX является следствием износа его элементов, зависящего от интенсивности эксплуатации, МПИ назначаются в зна- чениях наработки. При нахождении МПИ выбирается MX, определяющая состояние метрологи- ческой исправности средства измерений. В качестве таких характеристик, как правило, используются основная погрешность, СКО случайной составляющей погрешности и некоторые другие. Если состояние метрологической исправности определяют несколько MX, то из них выбирается та, по которой обеспечивается наибольший процент брака при поверках. Вопросу обоснованного выбора продолжительности МПИ посвящено большое число работ, обзор которых дан в. В настоящее время существуют три основных пу- ти их определения: • на основе статистики отказов; • на основе экономического критерия; • произвольное назначение первоначального МПИ с последу 46 ющей корректировкой в течение всего срока службы СИ. Выбор конкретного метода определения продолжительности МПИ зависит от наличия исходной информации о надежности и стабильности СИ. Первый способ является эффективным при условии, что известны показатели метрологической надежности. Наиболее полная информация такого рода содержится в моделях, описывающих изменение во времени MX средств измерений. Эти модели рас- смотрены в п. 4.3. При известных параметрах моделей МПИ определяется момен- том выхода погрешности за нормируемый для данного СИ допуск. Однако боль- шой разброс параметров и характеристик процессов старения СИ приводит к большой погрешности расчета МПИ с помощью таких моделей. Применение методов расчета МПИ, основанных на статистике скрытых и яв- ных отказов, требует наличия большого количества экспериментальных данных по процессам изменения во времени MX средств измерений различных типов. Та- кого рода исследования весьма трудоемки и занимают значительное время. Этим объясняется тот факт, что опубликованных статистических данных о процессах старения приборов различных типов крайне мало. В технических описаниях СИ, как правило, приводится средняя наработка до отказа, средний или гамма- процентный ресурс и срок службы. Этого явно недостаточно для расчета МПИ. Определение межповерочного интервала по экономическому критерию со- стоит в решении задачи по выбору такого интервала, при котором можно мини- мизировать расходы на эксплуатацию СИ и устранять последствия от возмож- ных ошибок, вызванных погрешностями измерения. Исходной информацией для определения МПИ служат данные о стоимости поверки и ремонта СИ, а также об ущербе от изъятия его из эксплуатации и от использования метрологически неисправного прибора. Основная сложность применения этого метода состоит в следующем. Затраты на ремонт и поверку СИ достаточно легко определяются по нормативным документам. В отличие от них потери из-за использования прибо- ров со скрытым метрологическим отказом на практике, как правило, неизвестны. Приходится прибегать к приближенным моделям, описывающим затраты на экс- плуатацию СИ со скрытыми метрологическими отказами в виде функции потерь того или иного вида [12; 37; 43]. Для определения МПИ по экономическому критерию можно использовать рекомендации МИ 2187—92. Наиболее простым является метод, состоящий в произвольном назначении МПИ с последующей корректировкой его величины. В этом случае при мини- мальной исходной информации назначается первоначальный интервал, а резуль- таты последующих поверок являются исходными данными для его корректи- ровки. Первый МПИ выбирается в соответствии с рекомендациями нормативных до- кументов государственных и ведомственных метрологических служб. Последующие значения МПИ определяются путем корректив ровки первого интервала с учетом результатов проведенных повѐ- i рок большого числа одно- типных СИ. Данный метод рассмотрен в рекомендации МИ 1872—88 й ffj международном стандарте ИСО 10012—1, содержащем требова-j ния, гарантирующие качество измерительного оборудования. 47 ПРИНЦИПЫ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ Под метрологическим обеспечением (МО) понимается установление и приме- нение научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерении. Основной тенденцией в развитии МО является переход от существовавшей ра- нее сравнительно узкой задачи обеспечения единства и требуемой точности изме- рений к принципиально новой задаче обеспечения качества измерений. Качество измерений — понятие более широкое, чем точность измерений. Оно характеризует совокупность свойств СИ, обеспечивающих получение в установлен- ный срок результатов измерений с требуемыми точностью (размером допускаемых погрешностей), достоверностью, правильностью, сходимостью и воспроизводимос- тью. Понятие "метрологическое обеспечение" применяется, как правило, по отноше- нию к измерениям (испытанию, контролю) в целом. В то же время допускают ис- пользование термина "метрологическое обеспечение технологического процесса (производства, организации)", подразумевая при этом МО измерений (испытаний или контроля) в данном процессе, производстве, организации. Объектом МО являются все стадии жизненного цикла (ЖЦ) изделия (про- дукции) или услуги. Под ЖЦ понимается совокупность последовательных взаимо- связанных процессов создания и изменения состояния продукции от формулирова- ния исходных требований к ней до окончания эксплуатации или потребления. Так, на стадии разработки продукции для достижения высокого качества изделия производится выбор контролируемых параметров, норм точности, допусков, средств измерения, контроля и испытания. Так же осуществляется метрологиче- ская экспертиза конструкторской и технологической документации. При разработке МО необходимо использовать системный подход, суть которо- го состоит в рассмотрении указанного обеспечения как совокупности взаимосвя- занных процессов, объединенных одной целью — достижением требуемого каче- ства измерений. Такими процессами являются: • установление рациональной номенклатуры измеряемых параметров и опти- мальных норм точности измерений при контроле качества продукции и управле- нии процессами; • технико-экономическое обоснование и выбор СИ, испытаний и контроля и установление их рациональной номенклатуры; 48 • стандартизация, унификация и агрегатирование используемой контрольно-измерительной техники; • разработка, внедрение и аттестация современных методик выполнения изме- рения, испытаний и контроля (МВИ); • поверка, метрологическая аттестация и калибровка контрольно- измерительного и испытательного оборудования (КИО), применяемого на пред- приятии; • контроль за производством, состоянием, применением и ре монтом КИО, а также за соблюдением метрологических правил и норм на предприятии; • участие в разработке и внедрении стандартов предприятия; • внедрение международных, государственных и отраслевых стан дартов, а также иных нормативных документов Госстандарта; • проведение метрологической экспертизы проектов норматив ной, конструкторской и технологической документации; • проведение анализа состояния измерений, разработка на его основе и осуществление мероприятий по совершенствованию МО; • подготовка работников соответствующих служб и подразделе ний предприятия к выполнению контрольно-измерительных опера ций. Метрологическое обеспечение имеет четыре основы: научную, организационную, нормативную и техническую. Их содержание показано на рис. 6.1. Отдельные ас- пекты МО рассмотрены в рекомендации МИ 2500—98 по метрологическому обес- печению малых предприятий. Разработка и проведение мероприятий МО возложе- но на метрологические службы (МС). Метрологическая служба — служба, создава- емая в соответствии с законодательством для выполнения работ по обеспечению единства измерений и осуществления метрологического контроля и надзора Вся метрологическая деятельность в Российской Федерации основывается на конституционной норме (ст. 71), которая устанавливает, что в федеральном веде- нии находятся стандарты, эталоны, метрическая система и исчисление времени, и закрепляет централизованное руководство основными вопросами законодатель- ной метрологии, такими, как единицы ФВ, эталоны и связанные с ними другие метрологические основы. Метрологические службы и организации Государственное управление деятельностью по обеспечению единства измерений в РФ осуществляет Комитет Российской Федерации по стандартизации и метрологии (Госстан- дарт России). Ой является федеральным органом исполнительной власти, осуществляю- 49 щим межотраслевую координацию, а также функциональное регулирование в области стандартизации, метрологии и сертификации (CMC). В сцоей деятельности он руководству- ется Конституцией РФ, федеральными законами, указами и распоряжениями Президента РФ, постановлениями и распоряжениями Правительства РФ, а также Положением о Гос- ударственном комитете Российской Федерации по стандартизации и метрологии. , В ведении Госстандарта России находятся: Государственная метрологическая служба (ГМС) (см. 6.3.2). Государственная служба врешни и частоты и определения па раметров вращения Земли (ГСВЧ) — сеть организаций, несущихответственность за воспроизведение и хранение единиц времени и частоты и передачу их размеров, а также за обеспечение потребите лей в народном хозяйстве информацией о точном времени, за вы полнение измерений времени и частоты в установленных единицах и шкалах Государственная служба стандартных об- разцов состава и свойств веществ и материалов (ГССО) — сеть организаций, несущих ответ- ственность за создание и внедрение стандартных образцов состава и веществ и материалов с целью обеспечения единства измерений. Государственная служба стандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществ и материалов (ГСССД) — сеть организаций, несущих ответственность за получение и инфор мационное обеспечение заинтересованных лиц данными о физи- ческих константах и свойствах веществ и материалов, основанных на исследовани- ях и высокочастотных измерениях. Международные метрологические организации В 187S г. семнадцать государств, в том числе и Россия, подписали Метрическую конвенцию, к которой в настоящее время присоединились 48 стран. Международная организация законодательной метрологии (МОЗМ) (Interna- tional Organization of Legal Metrology) была создана в 1955 г. для обеспечения все- общей гармонизации законодательных процедур метрологии и установления вза- имного доверия к результатам измерений, проводимых в странах—членах Метриче- ской конвенции. Это межправительственная организация, в которую входят действи- тельные члены — страны, активно участвующие в ее работе, и члены- корреспонденты — страны, являющиеся наблюдателями. В настоящее время МОЗМ объединяет более 80 государств. Высшим органом МОЗМ является Международная конференция законодательной метрологии, которая собирается раз в 4 года. Решения МОЗМ носят рекоменда- тельный характер. 50 Международная организация по стандартизации (ИСО) (International Organiza- tion for Standardization) была создана в 1946 г. двадцатью пятью национальными организациями по стандартизации, в том числе и СССР. Россия стала членом ИСО как правопреемник последнего. Членами ИСО являются национальные орга- низации по стандартизации стран мира. В начале 2000 г. членами ИСО были 135 стран. Сфера деятельности ИСО распространяется на все области, кроме электро- техники и электроники, стандартизацией которых занимается МЭК. В некоторых областях эти две организации действуют совместно. Главной задачей ИСО явля- ется содействие развитию: • стандартизации, метрологии и сертификации с целью обес печения международного обмена товарами и услугами; • сотрудничества в интеллектуальной, научно-технической и экономической областях. Стандарты ИСО широко используются в мире, их число в настоящее время пре- вышает 12 тыс. |