практикум тпу по мсис. Практикум МСиС_0-unlocked (1). Практикум по метрологии, стандартизации и сертификации рекомендовано в качестве учебного пособия
 Скачать 1.25 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» А.С. Спиридонова, Н.М. Наталинова ПРАКТИКУМ ПО МЕТРОЛОГИИ, СТАНДАРТИЗАЦИИ И СЕРТИФИКАЦИИ Рекомендовано в качестве учебного пособия Редакционно-издательским советом Томского политехнического университета Издательство Томского политехнического университета 2014 УДК 006+658.562.012.7(076.5) ББК 30.10+65.2-823я73 С72 Спиридонова А.С. С72 Практикум по метрологии, стандартизации и сертифика- ции: учебное пособие / А.С. Спиридонова, Н.М. Наталинова; Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Том- ского политехнического университета, 2014. – 131 с. Пособие содержит шесть лабораторных работ и четыре практических занятия, которые включают в себя необходимые теоретические материа- лы и контрольные вопросы для подготовки к защите выполненных работ. Предназначено для студентов всех направлений для закрепления тео- ретических основ метрологии, методов измерений, порядка проведения измерений значений физических величин и правил обработки результатов измерений, оценивания неопределенности измерений, нормативно- правовых основ метрологии, а также теоретических положений деятельно- сти по стандартизации, принципов построения и правил пользования стан- дартами, комплексами стандартов и другой нормативной документацией. УДК 006+658.562.012.7(076.5) ББК 30.10+65.2-823я73 Рецензенты Кандидат технических наук, доцент ТГАСУ А.А. Алексеев Кандидат химических наук, доцент ТГУ Н.А. Гавриленко © ФГАОУ ВО НИ ТПУ, 2014 © Спиридонова А.С., Наталинова Н.М., 2014 © Оформление. Издательство Томского политехнического университета, 2014 3 ВВЕДЕНИЕ Метрология и стандартизация являются инструментами обеспече- ния качества и безопасности продукции, работ и услуг – важного аспек- та многогранной деятельности. Качество и безопасность являются ос- новными фактором реализации товара. Целью преподавания дисципли- ны «Метрология, стандартизация и сертификация» является изложение понятий, формирование у студентов знаний, умений и навыков в обла- стях деятельности по стандартизации, метрологии и подтверждения со- ответствия для обеспечения эффективности производственной и других видов деятельности. В результате изучения дисциплины студент должен обладать сле- дующими компетенциями: знать цели, принципы, сферы применения, объекты, субъекты, средства, методы, нормативно-правовую базу стандартизации, метрологии, деятельности по подтверждению соответствия; уметь применять техническое и метрологическое законодательство; работать с нормативными документами; распознавать формы подтверждения соответствия; различать международные и национальные единицы измерения; владеть опытом работы с действующими федеральными законами, норма- тивными и техническими документами, необходимыми для осу- ществления профессиональной деятельности. Работа соответствует требованиям государственного образователь- ного стандарта высшего профессионального образования (ФГОС ВПО и стандартам ООП ТПУ) по дисциплине «Метрология, стандартизация и сертификация» для студентов всех специальностей. Данное пособие предназначено для закрепления теоретических ос- нов метрологии, методов измерений, порядка проведения измерений значений физических величин и правил обработки результатов измере- ний, нормативно-правовых основ метрологии, также теоретических по- ложений деятельности по стандартизации и сертификации, принципов построения и правил пользования стандартами, комплексами стандар- тов и другой нормативной документацией. 4 РАЗДЕЛ 1. МЕТРОЛОГИЯ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1 КЛАССИФИКАЦИЯ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ И НОРМИРУЕМЫЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ 1.1. Основные понятия и определения В соответствии с РМГ 29-99 [1] средство измерений – это техни- ческое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормиро- ванные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хра- нящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение из- вестного интервала времени. Средства измерений (СИ), используемые в различных областях науки и техники, чрезвычайно разнообразны. Однако для этого множе- ства можно выделить некоторые общие признаки, присущие всем СИ независимо от области применения. Эти признаки положены в основу различных классификаций СИ, некоторые из них приведены далее. Классификация средств измерений По техническому назначению: Мера физической величины – средство измерений, предназна- ченное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выраже- ны в установленных единицах и известны с необходимой точностью; Различают следующие разновидности мер: однозначная мера – мера, воспроизводящая физическую величину од- ного размера (например, гиря 1 кг, конденсатор постоянной емкости); многозначная мера – мера, воспроизводящая физическую величину разных размеров (например, штриховая мера длины, конденсатор переменной емкости); набор мер – комплект мер разного размера одной и той же физиче- ской величины, предназначенных для применения на практике как в отдельности, так и в различных сочетаниях (например, набор концевых мер длины); магазин мер – набор мер, конструктивно объединенных в единое устройство, в котором имеются приспособления для их соединения в различных комбинациях (например, магазин электрических со- противлений). 5 Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установ- ленном диапазоне. Измерительный прибор, как правило, содержит устройство для преобразования измеряемой величины в сигнал измери- тельной информации и его индексации в форме, наиболее доступной для восприятия. Во многих случаях устройство для индикации имеет шкалу со стрелкой или другим устройством, диаграмму с пером или цифровое табло, благодаря которым может быть произведен отсчет или регистрация значений физической величины. В зависимости от вида выходной величины различают аналоговые и цифровые измерительные приборы. аналоговый измерительный прибор – это измерительный прибор, показания (или выходной сигнал) которого являются непре- рывной функцией измеряемой величины (например, стрелочный вольт- метр, стеклянный ртутный термометр). цифровой измерительный прибор – это измерительный при- бор, показания которого представлены в цифровой форме. В цифровом приборе происходит преобразование входного анало- гового сигнала измерительной информации в цифровой код, и результат измерения отражается на цифровом табло. По форме представления выходной величины (по способу индика- ции значений измеряемой величины) измерительные приборы разделя- ют на показывающие и регистрирующие измерительные приборы. показывающий измерительный прибор – измерительный прибор, допускающий только отсчитывание показаний значений изме- ряемой величины (микрометр, аналоговый или цифровой вольтметр). регистрирующий измерительный прибор – измерительный прибор, в котором предусмотрена регистрация показаний. Регистрация значений измеряемой величины может осуществляться в аналоговой или цифровой форме, в виде диаграммы, путем печатания на бумажной или магнитной ленте (термограф или, например, измерительный при- бор, сопряженный с компьютером, дисплеем и устройством для печата- ния показаний). По действию измерительные приборы разделяют на интегрирую- щие и суммирующие. Различают также приборы прямого действия и приборы сравнения Измерительный преобразователь– техническое средство с норма- тивными метрологическими характеристиками, служащее для преобразо- вания измеряемой величины в другую величину или измерительный сиг- нал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, инди- кации или передачи. Полученные в результате преобразования величина 6 или измерительный сигнал, не доступны для непосредственного восприя- тия наблюдателем, они определяются через коэффициент преобразования. Измерительный преобразователь или входит в состав какого-либо измерительного прибора (измерительной установки, измерительной си- стемы), или же применяется вместе с каким-либо средством измерений. По характеру преобразования различают аналоговые, цифро- аналоговые, аналого-цифровые преобразователи. По месту в измери- тельной цепи различают первичные и промежуточные преобразователи. Выделяют также масштабные и передающие преобразователи. Примеры: термопара в термоэлектрическом термометре, измери- тельный трансформатор тока, электропневматический преобразователь. Измерительная установка – совокупность функционально объ- единенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразова- телей и других устройств, предназначенная для измерений одной или нескольких физических величин и расположенная в одном месте. Измерительную установку, применяемую для поверки, называют по- верочной установкой. Измерительную установку, входящую в состав эта- лона, называют эталонной установкой. Некоторые большие измеритель- ные установки называют измерительными машинами, предназначенными для точных измерений физических величин, характеризующих изделие. Примеры: установка для измерений удельного сопротивления элек- тротехнических материалов, установка для испытаний магнитных мате- риалов. Измерительная система – совокупность функционально объеди- ненных мер, измерительных приборов, измерительных преобразовате- лей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта и т. п. с целью измерений одной или несколь- ких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки из- мерительных сигналов в разных целях. В зависимости от назначения измерительные системы разделяют на измерительные информационные, измерительные контролирующие, из- мерительные управляющие системы и др. Измерительную систему, перестраиваемую в зависимости от изме- нения измерительной задачи, называют гибкой измерительной систе- мой (ГИС). Примеры: измерительная система теплоэлектростанции, позволяющая получать измерительную информацию о ряде физических величин в разных энергоблоках. Она может содержать сотни измерительных каналов; радио- навигационная система для определения местоположения различных объ- ектов, состоящая из ряда измерительно-вычислительных комплексов, раз- несенных в пространстве на значительное расстояние друг от друга. 7 Измерительно-вычислительный комплекс– функционально объединенная совокупность средств измерений, ЭВМ и вспомогатель- ных устройств, предназначенная для выполнения в составе измеритель- ной системы конкретной измерительной задачи. Компаратор – средство сравнения, предназначенное для сличения мер однородных величин (рычажные весы, компаратор для сличения нормальных элементов). По метрологическому назначению все СИ подразделяются на эта- лоны, рабочие эталоны и рабочие СИ. Эталон единицы физической величины (эталон) − средство из- мерений (или комплекс средств измерений), предназначенное для вос- произведения и (или) хранения единицы и передачи ее размера ниже- стоящим по поверочной схеме средствам измерений и утвержденное в качестве эталона в установленном порядке. Конструкция эталона, его свойства и способ воспроизведения еди- ницы определяются природой данной физической величины и уровнем развития измерительной техники в данной области измерений. Эталон должен обладать, по крайней мере, тремя тесно связанными друг с другом существенными признаками – неизменностью, воспроиз- водимостью и сличаемостью. Рабочий эталон −эталон, предназначенный для передачи размера единицы рабочим средствам измерений. При необходимости рабочие эталоны подразделяют на разряды (1-й, 2-й, ..., n-й). В этом случае передачу размера единицы осуществляют че- рез цепочку соподчиненных по разрядам рабочих эталонов. При этом от последнего рабочего эталона в этой цепочке размер единицы передают рабочему средству измерений. Рабочее средство измерений −средство измерений, предназна- ченное для измерений, не связанных с передачей размера единицы дру- гим средствам измерений. По значимости измеряемой физической величинывсе СИ под- разделяются на основные и вспомогательные средства измерений. Основные средства измерений – СИ той физической величины, значение которой необходимо получить в соответствии с измеритель- ной задачей. Вспомогательные средства измерений – СИ той физической ве- личины, влияние которой на основное средство измерений или объект измерений необходимо учитывать для получения результатов измере- ний требуемой точности (термометр для измерения температуры газа в процессе измерений объемного расхода этого газа). 8 Классификация СИ по техническому назначениюявляется основ- ной и представлена на рис. 1.1. Рис. 1.1 Метрологическая характеристика средства измерений(MX СИ): Характеристика одного из свойств средства измерений, влияющая на ре- зультат измерений и на его погрешность. Для каждого типа средств измерений устанавливают свои метрологи- ческие характеристики. Метрологические характеристики, устанавливае- мые нормативно-техническими документами, называют нормируемыми метрологическими характеристиками, а определяемые эксперимен- тально – действительными метрологическими характеристиками. Номенклатура метрологических характеристик и способы их нор- мирования установлены ГОСТ 8.009 [2]. Все метрологические характеристики СИ можно разделить на две группы: характеристики, влияющие на результат измерений (определяющие область применения СИ); характеристики, влияющие на точность (качество) измерения. К основным метрологическим характеристикам, влияющим на ре- зультат измерений, относятся: диапазон измерений измерительных приборов; 9 значение однозначной или многозначной меры; функция преобразования измерительного преобразователя; цена деления шкалы измерительного прибора или многозначной меры; вид выходного кода, число разрядов кода, цена единицы наимень- шего разряда кода средств измерений, предназначенных для выда- чи результатов в цифровом коде. Диапазон измерений средства измерений (диапазон измерений) − область значений величины, в пределах которой нормированы допускае- мые пределы погрешности средства измерений (для преобразователей – это диапазон преобразования). Значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу и сверху (слева и справа), называют соответственно нижним пределом измерений или верхним пределом измерений. Для мер – пределы вос- произведения величин. Однозначные меры имеют номинальное и действительное значение воспроизводимой величины. Номинальное значение меры − значение величины, приписанное мере или партии мер при изготовлении. Пример: резисторы с номинальным значением 1 Ом, гиря с номиналь- ным значением 1 кг. Нередко номинальное значение указывают на мере. Действительное значение меры −значение величины, приписан- ное мере на основании ее калибровки или поверки. Пример: в состав государственного эталона единицы массы входит платиноиридиевая гиря с номинальным значением массы 1 кг, тогда как действительное значение ее массы составляет 1,000000087 кг, получен- ное в результате сличений с международным эталоном килограмма, хранящимся в Международном Бюро Мер и Весов (МБМВ) (в данном случае это калибровка). Диапазон показаний средства измерений (диапазон показаний) − область значений шкалы прибора, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы. Диапазон измерений средства измерений (диапазон измерений) − область значений величины, в пределах которой нормированы допуска- емые пределы погрешности средства измерений. Значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу и сверху (слева и справа), называют соответственно нижним пределом измерений или верхним пределом измерений. Цена деления шкалы (цена деления) − разность значения величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы средства измерений. К метрологическим характеристикам, определяющим точность изме- рения, относится погрешность средства измерений и класс точности СИ. 10 Погрешность средства измерений −разность между показанием средства измерений ( x ) и истинным (действительным) значением ( d x ) измеряемой физической величины. d x x x . (1.1) В качестве d x выступает либо номинальное значение (например, меры), либо значение величины, измеренной более точным (не менее чем на порядок, т. е. в 10 раз) СИ. Чем меньше погрешность, тем точнее средство измерений. Погрешности СИ могут быть классифицированы по ряду призна- ков, в частности: по отношению к условиям измерения – основные, дополнительные; по способу выражения (по способу нормирования МХ) – абсолют- ные, относительные, приведенные. Основная погрешность средства измерений (основная погреш- ность) − погрешность средства измерений, применяемого в нормальных условиях. Как правило, нормальными условиями эксплуатации являются: температура (293 5) К или (20 5) ºС; относительная влажность воздуха (65 15) % при 20 ºС; напряжение в сети 220 В 10 % с частотой 50 Гц 1 %; атмосферное давление от 97,4 до 104 кПа. Дополнительная погрешность средства измерений (дополни- тельная погрешность) − составляющая погрешности средства измере- ния, возникающая дополнительно к основной погрешности вследствие отклонения какой-либо из влияющих величин от нормального ее значе- ния или вследствие ее выхода за пределы нормальной области значений. При нормировании характеристик погрешностей средств измере- ний устанавливают пределы допускаемых погрешностей (положитель- ный и отрицательный). Пределы допускаемых основной и дополнительной погрешностей выражаются в форме абсолютных, приведенных или относительных по- грешностей в зависимости от характера изменения погрешностей в пре- делах диапазона измерений. Пределы допускаемой дополнительной по- грешности можно выражать в форме, отличной от формы выражения пределов допускаемой основной погрешности. |