Конспект лекций метрология. Метрология, стандартизация и сертификация Глава 1 Метрология
 Скачать 338.85 Kb.
|
|
5 Метрология, стандартизация и сертификация Глава 1 Метрология §1 Объект и предмет метрологии Метрология (от греч. «metron»– мера, «logos» – учение) – это наука об измере- ниях, методах и средствах обеспечения единства измерений и методах и средствах обеспечения их требуемой точности. Любая наука является состоявшейся, если она имеет свой объект, предмет и методы исследования. Предмет любой науки отвечает на вопрос ЧТО ей изучается. Предметом метрологии является измерение свойств объектов (длины, массы, плотности и т.д.) и процессов (скорость протекания, интенсивность протекания и др.) с заданной точностью и достоверностью. Объектом метрологии является физическая величина. (Понятие «физическая величина» будет рассмотрено в теме «Основные понятия и определения метроло- гии»). Объект науки может быть общим для ряда других наук. Метрологию разделяют на три основных раздела: «Теоретическая метроло- гия», «Прикладная (практическая) метрология» и «Законодательная метрология». Важнейшей задачей метрологии является обеспечение единства измерений. Понятие «единство измерений» будет рассмотрено в следующем параграфе. §2 Основные понятия и определения метрологии Мера – это средство измерения, предназначенное для воспроизведения ф.в. за- данного размера. Физическая величина – это одно из свойств физического объекта, общее в ка- чественном отношении для многих физических объектов, но в количественном от- ношении индивидуальное для каждого физического объекта. Физические величины делятся на измеряемые и оцениваемые. Измеряемые физические величины могут быть выражены количественно в ус- тановленных единицах измерения (единицах физической величины). Оцениваемые физические величины это величины, для которых единицы изме- рений не могут быть введены. Их определяют при помощи установленных шкал. Физические величины классифицируются по следующим видам явлений: а) вещественные – они описывают физические и физико-химические свойства веществ, материалов и изделий из них; б) энергетические – описывают энергетические характеристики процессов преобразования, передачи и поглощение (использование) энергии; в) физические величины, характеризующие протекание процессов во времени. Единицей физической величины – называют физическую величину фиксиро- ванного размера, которой условно присвоено числовое значение равное единице, и которое применяется для количественного выражения однородных с ней физических величин. 6 Различают основные и производные единицы физических величин. Для неко- торых физических величин единицы устанавливаются произвольно, такие единицы физических величин называют основными. Производные единицы физических вели- чин получают по формулам из основных единиц физических величин. Система единиц физических величин – это совокупность основных и произ- водных единиц физических величин, относящихся к некоторой системе величин. Так, в международной системе единиц СИ (Система Интернациональная) при- нято семь основных единиц физических величин: единица времени – секунда (с), единица длины – метр (м), массы – килограмм (кг), единица силы электрического тока – ампер (А), термодинамической температуры – кельвин (К), силы света – кан- дела (кд) и единица количества вещества – моль (моль). Эталон единицы физической величины – это средство измерения, предназна- ченное для хранения и воспроизведения единицы физической величины с целью её передачи другим средствам измерений данной величины. Понятие единство измерений характеризует состояние измерений, когда их ре- зультаты выражены в узаконенных единицах, а погрешности известны и не выходят за установленные пределы с заданной вероятностью. Погрешность измерения – это отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. §2.1 Классификация погрешностей измерения Погрешности классифицируются по следующим признакам: 1 По форме числового выражения а) абсолютные; б) относительные. Например, вагон массой 50т измерен с абсолютной погрешностью ±50 кг, а в относительном выражении эта погрешность составит 0,1%. 2 По источникам возникновения а) инструментальные (обусловленные свойствами средств измерения твердо- сти, геометрических параметров и т.д.); б) методические погрешности, возникающие в результате несовершенства принятого метода измерений, при использовании эмпирических зависимостей (фор- мула получена на основе эксперимента) и т.д.; в) субъективные – погрешности оператора. 3 По характеру проявления а) систематическая – такая погрешность в процессе измерения одной и той же ф.в. остается постоянной или изменяется по определенному закону при одинаковых условиях измерения, т.е. не меняются внешние условия измерения (температура, давление, влажность, уровень вибраций и др.), оператор, класс точности измери- тельного прибора, цена деления измерительного прибора; – постоянная (присутствует все время на протяжении измерений); – временная; б) случайная – это погрешность, которая изменяется случайным образом при повторном измерении одной и той же величины в одних и тех же условиях. Случай- 7 ные погрешности, в отличие от систематических, изменяются хаотично по неизвест- ному закону. §2.2 Эталоны единиц физических величин Эталоны физических величин – это средство измерения, предназначенное для воспроизведения и хранения физической величины с целью ее передачи другим средствам измерения данной величины. Все эталоны делятся на два больших вида: 1 Государственный первичный эталон. Он утвержден в качестве исходного для всей страны. 2 Вторичные эталоны, которые делятся на четыре группы: А) Эталоны – свидетели. Они предназначены для замены государственного первичного эталона в случае его порчи или утраты. Б) Эталоны – сравнения. Служат для сличения эталонов, которые по каким- либо причинам не могут непосредственно сличаться друг с другом. В) Эталоны – копии. Используются для передачи размеров к рабочим этало- нам. Г) Рабочие эталоны. Применяются для контроля качества продукции, а также для поверки рабочих средств измерения. §3 Измерение физических величин Измерение – это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Истинное значение физической величины – это значение, идеально отражаю- щее соответствующее свойство объекта, как в количественном, так и в качественном отношениях. Действительное значение физической величины – это значение, найденное опытным путём и настолько приближенное к истинному, что для данной цели может быть принято вместо него. Измеренное значение физической величины – это значение, полученное при из- мерении с применением конкретных методов и средств измерений. Свойства измерений: а) точность – это свойство измерений, отражающее близость их результатов к истинному значению измеряемой величины; б) правильность – это свойство измерений, отражающее близость к нулю сис- тематических погрешностей в их результатах. Результаты измерений правильны, ко- гда они не искажены систематическими погрешностями; в) сходимость – это свойство измерений, отражающее близость друг к другу результатов измерений, выполняемых в одинаковых условиях одним и тем же сред- ством измерения одним и тем же оператором. Сходимость – важное качество для ме- тодики измерений; г) воспроизводимость – это свойство измерений, отражающее близость друг к другу результатов измерений выполняемых в разных условиях, т.е. в разное время, в 8 разных местах, разными методами и средствами измерений. Воспроизводимость – важное качество при испытаниях готовой продукции. §3.1 Классификация измерений Измерения классифицируются по следующим признакам: 1 По физической сущности измеряемой величины 2 По характеристике точности А) Равноточные измерения – это ряд измерений какой-либо физической вели- чины выполненных при одинаковых условиях (одно и тоже средство измерения, па- раметры среды, один и тот же оператор и т.д.) Б) Неравноточные измерения – это ряд измерений какой-либо физической ве- личины выполненных либо разными по точности приборами, либо при разных усло- виях измерения. 3 По числу измерений А) Однократные измерения Б) Многократные измерения – измерения одной и той же физической величи- ны результат, которого получен из нескольких следующих друг за другом измере- ний. 4 По изменению измеряемой величины во времени А) Статические Б) Динамические (при которых измеряемая величина изменяется во времени) 5 По метрологическому назначению А) Технические Б) Метрологические 6 По выражению результатов измерения А) Абсолютные – измеряемые в кг., м., Н и т.д. Б) Относительные – измеряемые в долях или процентах. 7 По способу получения числового значения физической величины А) Прямые – это измерения, при которых искомое значение физической вели- чины получают непосредственно. Б) Косвенные – это измерения, при которых искомое значение физической ве- личины получают на основании прямых измерений других физических величин. В) Совместные измерения – одновременное измерение двух или нескольких не одноименных ФВ для определения зависимости между ними. Г) Совокупные – это одновременное измерение нескольких одноименных фи- зических величин, а искомое значение величин находят путем решения системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин. §3.2 Методы измерения физических величин Метод измерений – это приём или совокупность приёмов сравнения измеряе- мой физической величины с её единицей в соответствие с реализованным принци- пом измерений. Методы измерений определяются видом измеряемых величин, их размерами, требуемой точностью результата, требуемой быстротой процесса изме- 9 рения и прочими данными. В предыдущей теме перечислялись виды измерений по способу получения числового значения. Наибольшее распространение, на практике, получили прямые измерения из-за их простоты и скорости исполнения. Прямые измерения можно производить следующим методами, которые можно разделить на две основных группы: 1 Метод непосредственной оценки – значение величины определяют непо- средственно по отсчётному устройству мерительного прибора (силу тока по ампер- метру, массы – по циферблатным весам и т.д.). 2 Метод сравнения с мерой – измеряемую величину сравнивают с величиной воспроизводимой мерой (измерение массы рычажными весами с уравновешиванием гирями). А) Дифференциальный метод – метод сравнения с мерой, при котором на из- мерительный прибор действует разность измеряемой величины и известной величи- ны, воспроизводимой мерой (измерения, выполняемые при проверке мер длины сравнением с образцовой мерой на компараторе). Б) Нулевой метод – метод сравнения с мерой, когда результирующий эффект воздействия на прибор сравнения доводят до нуля (измерение электрического сопро- тивления мостом с полным его уравновешиванием). В) Метод совпадений – метод сравнения с мерой, при котором разность между измеряемой величиной и величиной воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадения отметок шкал прибора (измерение линейных размеров с помощью штан- генциркуля). Г) Метод замещения – метод сравнения с мерой, когда измеряемую величину замещают известной величиной воспроизводимой мерой (взвешивание с поочерёд- ным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашу весов). §3.3 Понятие о средстве измерений Средство измерений – это техническое средство или комплекс средств, пред- назначенное для измерений. Оно имеет нормированные метрологические характери- стики, воспроизводящие или хранящие единицу физической величины. Средство измерений должно реализовывать одну из следующих функций: – воспроизводить величину заданного размера; – вырабатывать сигнал, несущий информацию о значении измеряемой величи- ны. Такие сигналы могут любо непосредственно восприниматься органами чувств человека, либо проходить через вспомогательные (преобразующие приборы для это- го). Все средства измерений можно классифицировать по двум основным призна- кам: 1 По метрологическому назначению средства измерения делятся на: а) Рабочие средства измерения – применяются для проведения технических измерений. – лабораторные (используются при научных исследованиях, при проектиро- вании технических устройств, а также для проведения медицинских измерений); 10 – производственные (используются для контроля качества продукции на про- изводстве и для контроля технологического процесса производства); – полевые (используются непосредственно на всех видах транспорта). б) Эталоны 2) По конструктивному исполнению средства измерения делятся на: а) меры физической величины – это средства измерения, предназначенные для хранения и воспроизведения единицы физической величины б) измерительные приборы – это средство измерения, предназначенное для по- лучения значений измеряемой физической величины в заданных пределах. Прибор, как правило, содержит устройство для преобразования измерительной величины, а также индикацию в наиболее доступной для восприятия форме. в) измерительные преобразователи – это средства измерений, предназначен- ные для преобразования измерений физической величины в другую величину удоб- ную для переработки, хранения и, при необходимости, дальнейшего преобразования г) измерительная установка – это комплекс функционально объединенных мер, измерительных преобразователей, измерительных приборов и других уст- ройств, предназначенных для измерения одной или нескольких физических величин. Как правило, этот комплекс располагается в одном месте, например испытательный стенд д) измерительная система – это совокупность функционально объединенных измерительных приборов, мер, измерительных преобразователей и других техниче- ских средств, размещенных в различных точках контролируемого пространства и предназначенных для измерения одной или нескольких физических величин §3.4 Метрологические характеристики средств измерений и контроля Эта характеристика одного из средств измерения влияющая на результат и его погрешность. Рассмотрим наиболее часто встречающиеся метрологические характеристики средств измерений и контроля: Цена деления шкалы прибора – это разность величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы. Она всегда указывается на шкале прибора. Длина деления шкалы прибора – это фактическое расстояние между осями (центрами) соседних отметок шкалы прибора. Начальное и конечное значение шкалы – наименьшее и наибольшее значение измеряемой величины, которые могут быть отсчитаны по шкале данного средства измерения. Диапазон показаний средства измерений – это область значений шкалы прибо- ра, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы. Существуют средства измерения, начальное значение которых не равно нулю (например, микрометриче- ский нутромер). Измерительное усилие – это усилие, возникающее в зоне контакта измеритель- ного наконечника прибора с измеряемой поверхностью. Перепад измерительного усилия – разность измерительного усилия при двух положениях указателя в пределах диапазона показаний. 11 Чувствительность – это способность средства измерения реагировать на из- менения измеряемой величины. Определяется как отношение изменения выходного сигнала средств измерения к вызывающему его изменению измеряемой величины. Порог чувствительности средств измерения – то наименьшее значение изме- нения физической величины, с которого возможно начать измерение этой величины данным средством измерения. Вариация показаний измерительного прибора – это разность показаний прибо- ра в одной и той же точке диапазона показаний при плавном подходе к этой точке показывающего элемента (стрелки) со стороны больших и меньших значений изме- ряемой величины. §4 Правовые основы метрологии Главным законодательным актом, обеспечивающим единство измерений, яв- ляется Закон РФ «Об обеспечении единства измерений». Этот Закон направлен на защиту прав граждан и их интересов, а также на защиту интересов экономики стра- ны от отрицательных последствий недостоверных результатов измерений. Единство измерений – характеристика качества измерений. Она заключается в том, что результаты измерений выражаются в установленных единицах, чьи размеры равны размерам воспроизводимых величин (с учетом погрешностей). Закон определяет: 1) Основные метрологические понятия 2) Компетенцию Госстандарта России в обеспечении единства измерений 3) Единицы ФВ, государственные эталоны, средства и методики измерений 4) Компетенцию и структуру государственной метрологической службы 5) Метрологические службы государственных органов управления предпри- ятий и организаций 6) Сферы распространения и виды государственного метрологического кон- троля и надзора 7) Права, обязанности и ответственность государственных инспекторов по обеспечению единства измерений 8) Закон определяет условия испытаний средств измерения 9) Требования к выполнению измерений по аттестованным методикам 10) Основные положения калибровки и сертификации средств измерения 11) Лицензирование деятельности организаций и физических лиц по изготов- лению, ремонту, продаже и прокату средств измерений 12) Источники финансирования работ по обеспечению единства измерений 13) Ответственность за нарушение положений этого закона Кроме того, законом об «Обеспечении единства измерений» определяются сферы деятельности, в которых соблюдение метрологических требований, обяза- тельно и на которые распространяется государственный метрологический надзор: – здравоохранение, ветеринария, охрана окружающей среды и обеспечение безопасности труда – испытания и контроль качества продукции с целью определения соответст- вия обязательным требованием государственного стандарта РФ 12 – обеспечение обороны страны – на обязательную сертификацию продукции и услуг – на торговые операции и взаимные расчеты между покупателем и продавцом, в том числе на операции с применением игровых автоматов – государственные учетные операции – измерения, проводимые по поручениям органов суда, прокуратуры и госу- дарственных органов управления РФ – на продукцию, поставляемую по контрактам для государственных нужд – на геодезические и гидрометрические измерения – на банковские, налоговые, таможенные и почтовые операции – на регистрацию национальных и международных рекордов Государственная система обеспечения единства измерений состоит из норма- тивных документов устанавливающих правила и требования на достижение и под- держание единства измерений в РФ при требуемой точности. §5 Метрологические службы, обеспечивающие единство измерений Государственная метрологическая служба несет ответственность за метроло- гическое обеспечение в стране на межотраслевом уровне и осуществляет государст- венный контроль и надзор в определенных законом сферах. В состав государственной метрологической службы входят: 1 Государственные научные метрологические центры – органы государствен- ной метрологической службы на территориях республик, областей, автономных ок- ругов, автономных областей, а также государственные метрологические службы го- родов Москвы и Санкт-Петербурга. Государственные научные метрологические центры являются хранителями государственных эталонов. Они проводят исследования в области теории измерений, а также в области применения принципов и методов высокоточных измерений; за- нимаются разработкой научно-методических основ совершенствования Российской системы измерений; разрабатывают нормативные документы по обеспечению един- ства измерений. 2Государственная служба времени |