Курилов П.Г., Нефедов В.А., Фаюстов А.А. Лекции по метрологии, стандартизации и сертификации

Подождите немного. Документ загружается.

допускаемых погрешностей результатов измерений и границ, за которые

они не должны выходить при заданной вероятности. Значения

допускаемых погрешностей измерений указываются в паспорте,

технических условиях (ТУ) и иной нормативной документации,

придаваемой средству измерения.

В России, как и в большинстве стран мира, узаконенными

единицами являются единицы величин Международной системы единиц

(СИ), принятой XI Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 г.

[3].

В системе СИ в качестве основных приняты семь единиц:

единица длины – метр (м);

единица массы – килограмм (кг);

единица времени – секунда (с);

единица силы электрического тока – ампер (А);

единица термодинамической температуры – кельвин (К);

единица силы света – кандела (кд);

единица количества вещества – моль (моль).

Физическая величина – свойство какого-либо объекта, процесса,

отличающее его в количественном отношении от других, схожих с ним по

качеству, физических объектов.

Измерение – совокупность операций по нахождению значения

физической величины с помощью специальных технических средств с

учетом экспериментального сравнения данной физической величины с

однородной физической величиной, значение которой принято за

единицу.

Единица физической величины – физическая величина

фиксированного размера, которой условно присвоено числовое

значение, равное единице.

Система единиц физических величин – совокупность основных

единиц, служащих базой для установления связей с другими,

производными, физическими единицами.

Единство измерений – состояние измерений, при котором их

результаты выражены в узаконенных единицах величин и погрешности

измерений не выходят за установленные границы с заданной

вероятностью.

Погрешность измерений – отклонение полученного результата

измерений от истинного (действительного) значения измеряемой

величины.

Средства измерений – технические средства с нормированной

погрешностью, используемые при измерениях единицы величины; по

техническому назначению подразделяются на меры, измерительные

приборы, измерительные преобразователи, вспомогательные средства

измерений, измерительные установки и измерительные системы.

Эталон единицы величины – средство измерений,

предназначенное для воспроизведения и хранения единицы величины

(или кратных либо дольных значений единицы величины) с целью

передачи ее размера другим средствам измерений данной величины.

Метрологическая служба – совокупность субъектов деятельности

и видов работ, направленных на обеспечение единства измерений,

иначе говоря, организация, отдельное предприятие или отдельное

структурное подразделение, на которое возложена ответственность за

обеспечение единства измерений.

Поверка средства измерений – совокупность операций,

выполняемых органами государственной метрологической службы

(другими уполномоченными на то органами, организациями) с целью

определения и подтверждения соответствия средства измерений

установленным техническим требованиям.

1.2. Основы метрологического обеспечения

Метрологическое обеспечение – установление и применение

научных и организационных основ, технических средств, правил и норм,

необходимых для достижения единства и требуемой точности

измерений.

Метрологическое обеспечение базируется на четырех основах:

научной, организационной, технической и нормативной.

Научной основой метрологического обеспечения является

метрология как наука об измерениях.

Организационной основой метрологического обеспечения является

Государственная метрологическая служба России, метрологические

службы федеральных органов управления и метрологические службы

юридических лиц. Государственное управление деятельностью по

обеспечению единства измерений в РФ осуществляет Федеральное

агентство по техническому регулированию и метрологии.

Технической основой метрологического обеспечения являются:

система государственных эталонов единиц физических величин,

обеспечивающих воспроизведение единиц с наивысшей точностью;

система передачи размеров единиц физических величин от эталонов

всем средствам измерений; система разработки, постановки на

производство и выпуска в обращение рабочих средств измерений;

система государственной и ведомственной поверки средств измерений;

система стандартных справочных данных о физических константах и

свойствах веществ и материалов.

Нормативной основой обеспечения единства измерений является

законодательная метрология: Закон РФ «Об обеспечении единства

измерений», стандарты, правила, рекомендации и другие нормативные

документы [1, 8, 13].

Федеральным органом государственной власти, осуществляющим

государственное управление деятельностью по обеспечению единства

измерений в РФ, является Федеральное агентство по техническому

регулированию и метрологии (Ростехрегулирование), которое является

правопреемником бывшего Госстандарта России.

Федеральное агентство по техническому регулированию и

метрологии осуществляет свою деятельность непосредственно и через

находящиеся в его ведении территориальные центры стандартизации,

метрологии и сертификации, а также через государственных инспекторов

по надзору за государственными стандартами и обеспечению единства

измерений.

Цели метрологического обеспечения:

 повышение качества продукции;

 оптимизация управления производством;

 обеспечение взаимозаменяемости деталей, узлов и агрегатов;

 повышение эффективности научно-методологических работ,

экспериментов и испытаний;

 оптимизация системы учета;

 повышение эффективности мероприятий по профилактике,

диагностике и лечению болезней;

 оптимизация системы нормирования и контроля условий

труда и быта людей;

 улучшение качества охраны окружающей среды;

 оптимизация системы оценки природных ресурсов;

 повышение уровня автоматизации управления транспортом и

безопасности движения;

 обеспечение высокого качества и надежности связи.

Единая Государственная система метрологического

обеспечения включает [11]:

 системы государственных эталонов единиц физических

величин;

 системы передачи размеров единиц физических величин от

эталонов ко всем средствам измерений с помощью образцовых средств

измерений;

 системы разработки, постановки на производство и выпуска в

обращение рабочих средств измерений;

 системы обязательных государственных испытаний средств

измерений, предназначенных для серийного или массового

производства и ввоза их из-за границы партиями;

 системы государственной и ведомственной поверки или

метрологической аттестации средств измерений;

 системы стандартных образцов состава и свойств веществ и

материалов;

 системы стандартных справочных данных о физических

константах и свойствах веществ и материалов.

Общие единые правила и нормы метрологического обеспечения

устанавливаются в стандартах Государственной системы обеспечения

единства измерений (ГСИ). ГОСТ 1.25-76 «Метрологическое

обеспечение. Основные положения» регламентирует метрологическое

обеспечение на различных уровнях управления и производства.

Метрологическое обеспечение испытаний продукции

предполагает:

 наличие необходимых средств измерений,

зарегистрированных в Госреестре;

 наличие испытательного оборудования, соответствующего

требованиям нормативных документов на методики проведения

испытаний;

 применение аттестованных методик выполнения измерений;

 наличие протоколов первичной и периодической аттестации

испытательного оборудования, графиков их проведения;

 удовлетворительное состояние средств измерений и

испытательного оборудования, наличие и соблюдение графиков их

поверки и аттестации;

 условия размещения испытательного оборудования и

средств измерений;

 соблюдение условий выполнения измерений и испытаний;

 наличие и достаточность средств измерений,

представленных для проведения периодической аттестации

испытательного оборудования.

Основные процедуры, проводимые в рамках

метрологического обеспечения предприятия:

 анализ состояния измерений, разработку и осуществление на

его основе мероприятий по совершенствованию и упорядочению

измерительного дела на предприятии;

 создание и внедрение современных методик выполнения

измерений и средств измерений, испытаний и контроля;

 проведение метрологической экспертизы, конструкторской,

технологической и нормативно-технической документации для

обеспечения выполнения требований соответствующих стандартов ГСИ

и отраслевых стандартов, норм и требований, вытекающих из задач

метрологического обеспечения;

 контроль за соблюдением метрологических правил и

требований при проведении научных исследований и на всех стадиях

разработки, производства и испытаний изделий.

1.3.Средства измерений

Виды средств измерений: меры, измерительные

преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки и

измерительные системы [6, 8, 11].

Измерительный прибор — предназначенное для получения

информации средство измерения в удобной для восприятия форме.

Измерительные преобразователи — средства измерения,

предназначенные для преобразования сигнала измерительной

информации в форму, удобную для передачи в показывающее

устройство, обработки и хранения.

Измерительная система — совокупность средств измерений и

вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи,

предназначенная для измерения физических величин объекта,

выработки сигналов измерительной информации в удобной для

автоматической обработки форме, передачи и использования в АСУ.

Измерительная установка — совокупность средств измерений и

вспомогательных устройств, предназначенных для выработки сигналов

измерительной информации в форме, удобной для восприятия

непосредственного наблюдателя, и соединенных между собой каналами

связи.

Признаки классификации измерительных приборов [11].

1. По используемым физическим процессам: механические;

электромеханические; электронные; оптоэлектронные и т.п.

2. По физической природе измеряемой величины: микрометры;

вольтметры; амперметры; люксметры; термометры; манометры;

уровнемеры; влагомеры и т.д.

3. По виду измеряемой величины или сигнала измерительной

информации, а также по способу обработки сигнала:

аналоговые (в которых показания являются непрерывной функцией

измеряемой величины, т.е. могут также, как и измеряемая величина,

принимать бесконечное множество значений). Аналоговые приборы

разделяют на приборы непрерывного и дискретного действия;

цифровые (приборы, в которых непрерывная по размеру и во

времени величина преобразуется в дискретную, квантуется, кодируется

и цифровой код отображается на цифровом отсчетном устройстве).

Показания цифрового прибора могут принимать лишь конечное число

значений.

4. По структурному принципу:

измерительные устройства прямого действия (преобразования). В

них реализуется метод непосредственной оценки;

измерительные устройства, работа которых основана на методе

сравнения.

5. По структурным признакам:

по числу каналов — одноканальные (с одним входом), двух-

канальные (с двумя входами), многоканальные (с тремя и более

входами);

по временной последовательности преобразований входных

сигналов — с одновременным (параллельным) преобразованием

(сигналы обрабатываются одновременно), последовательным

преобразованием (сигналы обрабатываются поочередно, за цикл

измерения каждый сигнал через входное переключающее устройство

(коммутатор) подается на вход преобразователя один раз).

6. По точности:

образцовые (используемые для поверки других измерительных

установок);

рабочие (используемые непосредственно в практических

измерениях.

7. По частотному диапазону: низкочастотные; высокочастотные;

сверхвысокочастотные; широкополосные; избирательные (селективные).

8. По месту использования: лабораторные; производственные.

Измерительные преобразователи делятся на: преобразователи

физического рода сигнала; функциональные преобразователи;

масштабные преобразователи; согласующие преобразователи;

промежуточные; передающие; линейные; нелинейные.

1.4. Погрешности измерений, их виды. Качество измерений

Виды погрешностей [10]:

абсолютная погрешность — разность между показаниями прибора

и истинным значением измеряемой величины — Δх = х

-х;

относительная погрешность — отношение абсолютной

погрешности прибора к истинному (действительному) значению

измеряемой величины — Δd = Δх/х (может быть выражена в процентах);

систематическая погрешность — погрешность, которая независимо

от количества проводимых измерений остается неизменной или

изменяется закономерно;

случайная погрешность — погрешность, изменения которой при

проведении повторных измерений носит случайных характер;

инструментальная погрешность — погрешность инструмента

(прибора), с помощью которого проводятся измерения;

методическая погрешность — погрешность, возникшая благодаря

выбору данного метода измерения;

личная погрешность — погрешность, возникшая по вине человека,

проводящего измерения (в результате невнимательности и т.д.);

основная погрешность — погрешность средств измерения,

определенная при нормальных условиях;

дополнительная погрешность — погрешность, обусловленная

выходом значений влияющих величин за пределы нормальных

значений;

статическая составляющая погрешности — погрешность средства

измерения при статическом режиме работы;

динамическая составляющая погрешности — погрешность

средства измерения при динамическом режиме работы (может носить

случайный характер).

Погрешность меры характеризует отличие номинального

значения меры от истинного значения воспроизводимой ею величины.

Погрешность прибора — отличие показаний прибора от истинного

или действительного значения измеряемой величины.

Приведенная погрешность прибора — отношение в процентах

абсолютной погрешности прибора к нормирующему значению — g]=]100/

норм

В соответствии с ГОСТ 8.401-80 х

норм

принимается равным:

большему из пределов измерений или большему из модулей

пределов измерений для СИ с равномерной или степенной шкалой, если

нулевая отметка находится на краю или вне диапазона измерений;

арифметической сумме модулей пределов измерений, если

нулевая отметка находится внутри диапазона измерений;

установленному номинальному значению для СИ с установленным

номинальным значением измеряемой величины;

всей длине шкалы для приборов с существенно неравномерной

шкалой, при этом абсолютные погрешности также выражают в единицах

длины.

Во всех остальных случаях нормируемое значение

устанавливается стандартами для соответствующих видов СИ.

1.5. Нормируемые метрологические характеристики

средств измерений

Эксплуатация средств измерений часто происходит за пределами

нормальных условий, но при сохранении их работоспособности.

Составляющая погрешности, возникающая дополнительно к основной

вследствие отклонения какой-либо из влияющих величин от

установленного для нее диапазона нормальных условий называется

дополнительной погрешностью средства измерений. Дополнительные

погрешности нормируются, как правило, в удельной форме. Например, в

процентах с соответствующим знаком на каждые 10

С изменения

температуры от номинального значения и т.п.

Одни и те же средства измерений могут применяться для

измерений неизменных по величине физических величин и величин,

изменяющихся по величине за время измерения. Если это различие

приводит к изменению погрешности средства измерений, то говорят о

наличии статической и динамической погрешностей средства

измерений.

Погрешность средства измерений является его основной

метрологической характеристикой. Все характеристики средства

измерений, как технического устройства, классифицируются в качестве

метрологических в зависимости от их влияния на величину погрешности:

если какая-либо характеристика оказывает влияние – она считается

метрологической. В общем случае к метрологическим характеристикам

средств измерений относят назначение, диапазон измерений,

погрешность, влияющие величины.

Назначение указывает на то, какая физическая величина (или

величины), в каких единицах (или шкалах) и в каком диапазоне (или

диапазонах) измеряется данным средством измерений.

Влияющие величины – величины, которые не указаны в

назначении средства измерений, но влияют на его показания. Влияющие

величины по отношению к объекту измерения различаются на

внутренние и внешние.

Внешние - характеризуют условия проведения измерений:

температуру окружающего воздуха; его влажность; атмосферное

давление; вибрацию основания, на котором размещается средство

измерений; горизонтальность основания и т.п. Внутренние -

характеризуют объект измерений, но не измеряются данным средством

измерений. Их иногда называют неинформативными параметрами

измерительного сигнала. Например, на показания напряжения

переменного тока влияет его частота и наоборот; на показания

расходомера влияет вязкость измеряемой жидкости и т.п.

Разработаны правила, в соответствии с которыми для каждого

средства измерений должны приводиться все его метрологические

характеристики. В противном случае, естественно, нарушаются

требования единства измерений, т.к. результаты измерений

воспроизвести невозможно. Эти правила сформулированы в ГОСТ

8.009-84 «ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств

измерений».

Нормируемые метрологические характеристики средств измерений

делятся на группы:

 характеристики, предназначенные для определения

результатов измерений (без введения поправки):

 функция преобразования измерительного преобразователя

(прибора с неименованной шкалой или со шкалой,

градуированной в единицах, отличных от единиц входной

величины);

 значение однозначной или значения многозначной меры;

 цена деления шкалы измерительного прибора или многозначной

меры;

 вид выходного кода, число разрядов кода, цена единицы

наименьшего разряда кода средств измерений,

предназначенных для выдачи результатов в цифровом коде;

 характеристики систематической погрешности средства

измерений:

 значение систематической составляющей ∆

;

 значения систематической составляющей ∆

, математического

ожидания М[∆

] и среднего квадратического отклонения S[∆

]

систематической составляющей.

Задание математического ожидания и среднего квадратического

отклонения для систематической погрешности практикуется в связи с

тем, что для множества экземпляров средств измерений одного типа она

рассматривается в качестве случайной величины. Если значения

математического ожидания и среднего квадратического отклонения

систематической погрешности изменяются по времени, то необходимо

их нормировать в функциональной зависимости от времени.

Методика оценки характеристик систематической погрешности

средств измерений регламентирована руководящим документом РД 50-

453-84 «ГСИ. Характеристики погрешности средств измерений в

реальных условиях эксплуатации. Методы расчета».

Для определения значения ∆

выполняют два ряда наблюдений

(операций, проводимых при измерении и имеющих целью

своевременный и правильный отсчет показаний средства измерений)

известной с достаточной точностью величины Х

, подаваемой на вход.

При выполнении наблюдений первого ряда значение входной величины

Х медленно и плавно подводят к требуемому значению Х

со стороны

меньших значений. Получаем ряд значений, который обозначим Х

Мi

М1

; X

М2

; X

М3

; . . .; X

Мn

. При выполнении наблюдений второго ряда

величину Х подводят к значению Х

со стороны больших значений и

получаем ряд значений, который обозначим X

Бi

= Х

Б1

; Х

Б2

; Х

Б3

; . . .; Х

Бn

Для каждого ряда наблюдений находим среднее арифметическое

значение систематической погрешности:









ДMi

;









ДБi

; (1)

На основании зависимостей (1) производится оценка

систематической составляющей погрешности средства измерений:

БM





; (2)

Для совокупности средств измерений данного типа (тип средств

измерений – это все средства измерений одного и того же назначения,

основанные на одном и том же принципе действия, имеющие

одинаковую конструкцию и изготовленные по одной и той же

технической документации) характеристики систематической

составляющей погрешности определяются путем проведения

многократных наблюдений известной величины X

сравнительно

большим числом ( m ) экземпляров средств измерений. По результатам

наблюдений определяются средние арифметические значения для

каждого испытываемого экземпляра. Обозначим ряд этих значений Х

; X

; . . .; X

. Затем находится среднее арифметическое значение

(Х

ср

) результатов этого ряда:

ср





; (3)