Лекции по метрологии. Часть 2
.pdfМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ
КАФЕДРА ПРИКЛАДНОЙ ФИЗИКИ
На правах рукописи
А.М. Чмутин
ЛЕКЦИИ ПО МЕТРОЛОГИИ
Волгоград
2005
2
Содержание
2.Прикладная метрология…………………………………………………… 32
2.1.Средства измерений…………………………………...…………………... 32
2.1.1.Информационная структура СИ……………………..…………………… 33
2.1.2.Показатели качества и технические данные СИ……..…………………. 33
2.1.3.Метрологические характеристики СИ…………………………………… 34
2.1.4.Точностные метрологические характеристики СИ……………………... 34
2.1.5.Передача СИ размера единицы……………………..…………………….. 35
2.2.Технология измерений……………………………….……………………. 35
2.2.1.Подготовка к проведению измерений……………………………………. 36
2.2.2.Выполнение измерений……………………………….…………………... 37
2.2.3. Обработка результатов измерений…………………..…………………… 37
2.3.Законодательная метрология……………………………………………… 38
2.3.1.Историческая справка……………………………………………………... 39
2.3.2.Системы единиц и первичные эталоны………………………………….. 40
2.3.3.Метрологическая иерархия СИ…………………………………………… 47
2.4.Метрологическая служба………………………………………………….. 48
2.4.1.Метрологическая экспертиза……………………………………………… 49
2.4.2.Испытания средств измерений……………………………………………. 49
2.4.3.Метрологическая аттестация……………………………………………… 50
2.4.4.Поверка средств измерений……………………………………………….. 51
2.4.5.Организация и структура метрологической службы РФ………………... 53
2.4.6.Правовые аспекты метрологической службы……………………………. 54
2.4.7.Экономические аспекты метрологической службы……………………... 54
3
2.Прикладная метрология.
2.1.Средства измерений.
Основная классификация средств измерений (СИ) проводится по роду измеряемой величины (вес, угол, скорость, ток, яркость, цвет, крепость и проч.), Соответствующие названия СИ, несмотря на их различное происхождение, прочно устоялись в метрологической практике и, как правило, к неоднозначностям не приводят: это весы, гониометр, спидометр, амперметр, яркомер, колориметр, спиртомер, … .
Для метрологических приложений не менее важна и точностная (подробнее - см. п. 2.3.3) классификация СИ:
эталоны - высшей точности; образцовые средства измерений (ОСИ) - средней точности;
рабочие средства измерений (РСИ) - низшей точности, причем, в отличие от третьей группы универсального применения, первые две группы предназначены для использования практически только в метрологических целях,
и функциональная: мера;
измерительный преобразователь; измерительный прибор; измерительная установка; измерительный комплекс; измерительная система.
К данным в параграфе 1.1.2 определениям здесь остается добавить ряд пояснений, отражающих иерархичность функциональной классификации СИ. Принято считать меры и измерительные преобразователи элементарными СИ. К таковым относится и ряд простейших измерительных приборов, например, ртутный термометр, барометр-анероид и др. Все остальные измерительные приборы относятся уже к категории сложных (составных), ибо построены из элементарных например радиационный термометр (состоящий из приемника излучения в качестве первичного измерительного преобразователя и амперметра в качестве вторичного измерительного прибора), инерционный виброметр (состоящий из пьезоэлемента в качестве первичного измерительного преобразователя и вольтметра в качестве вторичного измерительного прибора), - список нетрудно продолжить самостоятельно. В этом плане измерительная установка представляет собой совокупность СИ (элементарных и/или сложных) и вспомогательных устройств, скомпонованных для измерения какой либо физической величины. Классическим примером измерительной установки может служить мост постоянного или переменного тока. Измерительный комплекс представляет собой соче-
4
тание измерительного прибора или измерительной установки с компьютером, начиненным специализированным программным продуктом. Завершает эту иерархическую структуру измерительная система – совокупность разнесенных в исследуемом пространстве измерительных комплексов.
По конструктивному исполнению СИ делятся на переносные
(hendheld), настольные (desktop и tower), стационарные (benchtop). Ка-
ждая из перечисленных разновидностей может быть моноблочной и модульной. В отечественной практике модульные СИ часто не вполне корректно именуют щитовыми.
Классификация СИ по способу представления результатов подразумевает их деление на:
аналоговые и цифровые СИ; показывающие и регистрирующие СИ.
По-видимому комментарии к этим градациям излишни.
Наконец, пользователям (а экспертов вряд ли можно отнести к разработчикам, изготовителям и ремонтникам) полезно знать следующие стандартизованные классификации.
По климатическому исполнению в соответствии с ГОСТ 15150-69 [45]: при эксплуатации лишь в холодном климате - ХЛ (F) класс;
для районов с умеренным и холодным климатом - УХЛ (NF); -"- с умеренным климатом - У (N);
-"- с влажным тропическим климатом - ТВ (TH); -"- с сухим тропическим климатом - ТС (TA);
-"- с тропическим, как сухим, так и влажным климатом - Т(T); -"- с умеренно холодным морским климатом - М (M);
-"- с тропическим морским климатом - ТМ (TM);
-"- с морским, как тропическим, так и холодным климатом - ОМ
(MU);
для всех районов, исключая морской климат - О (U);
для всех районов (всеклиматическое исполнение) - В (W). По условиям эксплуатации в соответствии с ГОСТ 15150-69 [45]:
на открытом воздухе - 1 категория; под навесом (или в помещениях, несущественно отличающихся
от первой категории: палатке, кузове, ...) - 2;
внеотапливаемых помещениях (при отсутствии прямой солнечной засветки, ветра, осадков) (склад) - 3;
вотапливаемых помещениях - 4;
впомещениях с повышенной влажностью (шахта, трюм, ..) – 5.
2.1.2. Показатели качества и технические данные СИ.
Науку об измерении качества именуют квалиметрией (Приложение F). В ней качество СИ определяется как совокупность свойств СИ,
5
обуславливающих его пригодность к получению измерительной информации в соответствии с его назначением. Таким образом, свойство, характеризующее чувствительность СИ к УФ/ИК-излучению, не является показателем качества применительно к люксметру, поскольку люксметры градуируются в единицах световых фотометрических величин, а последние определены только для VIS области спектра. Номенклатура показателей качества устанавливается РД 50-64-84 [43]:
показатели назначения, показатели надежности [61], экономические показатели, эргономические показатели, эстетические показатели, показатели технологичности, показатели транспортабельности,
показатели стандартизации и унификации, патентно-правовые показатели, экологические показатели, показатели безопасности.
Вкурсе метрологии представляет интерес перечислить и определить показатели надежности СИ (надежность СИ есть свойство выполнять свои функции, т.е. соответствовать показателям назначения, сохраняя прочие показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени):
- вероятность безотказной работы - вероятность того, что в течение заданной продолжительности работы СИ отказ не возникает,
- интенсивность отказов - вероятность отказа СИ в единицу вре-
мени,
- среднее время безотказной работы - математическое ожидание времени исправной работы СИ.
Показатели надежности СИ устанавливаются по результатам проведения их испытаний (см. п. 2.4.2.).
Всвою очередь, совокупность показателей назначения СИ подразделяется на три группы:
показатели функциональные и технической эффективности, конструктивные показатели, показатели состава и структуры.
Кпервой из этих групп относятся метрологические характеристики СИ. А технические данные СИ представляют собой лишь ограниченную выборку числовых значений важнейших из показателей качества, вносимых в эксплуатационную документацию на СИ.
6
2.1.3. Метрологические характеристики СИ.
Номенклатура метрологических характеристик (м.х.): м.х. диапазонные, м.х. точностные, м.х. преобразования. М.х. СИ с многократным измерительным преобразованием. Соотношение диапазонных и точностных метрологических характеристик СИ и принципы их нормирования (традиционное различие в описании диапазонов vs погрешностей у отечественных и зарубежных СИ).
Метрологические характеристики, свойственные: для ПИП - амплитудная нелинейность, частотная неравномерность, ......; для ВИП - диапазоны, статические точностные м.х., .........; для процессора - постоянная времени, <аддитивная> динамическая погрешность, ....
2.1.4. Точностные метрологические характеристики СИ.
Основная погрешность СИ - статическая. Дополнительные погрешности СИ, например, температурная, динамическая. Формы выражения погрешностей СИ: абсолютная, относительная и приведенная. Соотношение этих погрешностей проиллюстрировано рис. 2.1.1.
Погрешности Дополнительная
Основная
|
|
|
|
|
|
|
Абсолютная |
|
Относительная |
|
Приведенная |
||
|
|
|
|
|
|
|
Статическая
Динамическая
Систематиче-
Случайная Рис. 2.1.1. Погрешности измерительных приборов.
Составляющие: случайной компоненты основной погрешности и систематической компоненты основной погрешности СИ. Методы суммирования составляющих.
7
Две модели объединения систематической и случайной погрешностей СИ, допускаемые ГОСТ 8.009-84 [13], приведены в п. 1.3.3.
2.1.5. Передача СИ размера единицы.
Операция передачи средству измерений размера единицы может включать одну или несколько процедур измерений, поэтому ее ни в коем случае нельзя соотносить с методами измерений, классифицированными в п. 1.2.5. Одна измерительная процедура характерна для использования при передаче прямых измерений, две и более – косвенных.
Погрешность СИ после передачи размера единицы учитывает две составляющих: погрешность собственно СИ и погрешность его сличения, градуировки или калибровки. В качестве первой составляющей может выступать погрешность нелинейности, зонная погрешность, угловая погрешность, etc. или их комбинация. Вторая составляющая, в свою очередь, образуется суммированием погрешности ОСИ и с.к.о. сличения: градуировки или калибровки) [1].
2.2.Технология измерений.
Вэтом разделе отнюдь не рассматриваются конкретные способы измерений (по принципу действия), например, интерферометрия, фото-
метрия, поляриметрия, ..., но общие для всех способов правила методического, аппаратурного и программного обеспечения измерений.
Отметив, что, как правило, вопросы программного обеспечения нормативно-технической документацией вообще не регламентируются, а аппаратурные аспекты, наоборот, всегда регламентированы жестко и однозначно, остановимся на методическом обеспечении измерений. Каждый измерительный процесс состоит из трех этапов [1]:
-подготовки к проведению измерений,
-выполнения измерений,
-обработки результатов.
Рассмотрим каждый из этих этапов детально.
2.2.1. Подготовка к проведению измерений.
Этап подготовки включает следующие процедуры: - анализ постановки измерительной задачи.
Какие физические величины или какие параметры объекта подлежат измерению?
а) Модель, соответствие модели объекту, погрешность модели (методическая погрешность); б) Нестабильность измеряемой величины.
8
Вобоих случаях отмеченные погрешности не должны превышать 10 % от потребной погрешности измерений.
Вкакой форме следует представить результат измерений? МИ
1317-86 [59]: x c.k.o., P 0,95;0,99;...; НСП; и др.
-создание условий для измерений.
Каждое измерение выполняется в определенных условиях, которые характеризуются одной или несколькими физическими величинами (их называют внешними влияющими величинами), часто оказывающими заметное воздействие на измеряемую величину и используемые СИ. Выделяют 4 группы влияющих факторов:
климатические, электромагнитные, внешние нагрузки, ионизирующие.
Установлены следующие номинальные значения влияющих величин: температура 20o С (293 К),
давление 100 кПа (750 мм рт. ст.) или 101,3 кПа (760 мм рт. ст.) в зависимости от вида измеряемой величины, относительная влажность воздуха 55 % или 58 % или 60 % или 65 % в зависимости от вида измеряемой величины, плотность воздуха 1,2 кг/м3, ускорение свободного падения 9,8 м/с2,
напряженности магнитного и электростатического поля 0 или соответствует характеристикам поля Земли в данном географическом районе в зависимости от вида измеряемой величины.
Случаи отклонения значений влияющих величин от номиналов рассмотрены в ГОСТ 8.050-73 "ГСИ. Нормальные условия выполнения измерений" и ГОСТ 8.395-80 [58].
-выбор СИ.
-выбор метода измерений.
-подготовка оператора (квалификация, ТБ, ...).
-опробование СИ.
Содержание этих четырех операций очевидно. Подробнее на них останавливаться не имеет смысла.
- разработка методики выполнения измерений [1].
"Методика измерений - это совокупность операций и правил, выполнение которых при проведении измерений обеспечивает получение результатов измерений в соответствии с используемым методом" [1]. В случае отсутствия стандартизованной, например изложенной в эксплуатационной документации, методики выполнения измерений (МВИ) требования к разработке новой МВИ регламентированы ГОСТ 8.467-82.
9
NB! МВИ - обязательная часть методики поверки СИ или программы государственной метрологической аттестации СИ.
2.2.2. Выполнение измерений.
Методические вопросы технологии выполнения измерений с помощью любого СИ в обязательном порядке изложены в его техническом описании и инструкции по эксплуатации (разделы "Подготовка к работе" и "Порядок работы"). В исключительных случаях - косвенные измерения, нестандартизованные СИ и др. - используются МВИ (см. выше).
В общем случае выполнение измерений не формализовано. Некоторые рекомендации по конкретным обстоятельствам - исключению систематических погрешностей; проведению прямых, косвенных, однократных, неравноточных измерений - даны в литературе [1].
2.2.3. Обработка результатов измерений.
Основная цель обработки - получение результата измерения и оценка его погрешности. Выбор конкретного метода обработки зависит от числа экспериментальных данных, от вида распределения погрешностей, от вида измерений, от требований к быстроте измерений и трудоемкости и других причин. Этап обработки включает следующие процедуры:
- предварительный анализ экспериментальных данных.
Число данных, распределение данных - гистограмма, проверка гипотезы о нормальном распределении по формулам Приложения D, исключение промахов по формулам раздела "Теория погрешностей).
- вычисление результата измерения.
По формулам Приложений A, B и C (случаи совместных и совокупных измерений специфичны и рассматриваться на лекциях не будут. За справками - к [1])
- оценивание погрешности измерения.
По формулам Приложений A, B и C.
2.3. Законодательная метрология.
Под законодательной метрологией подразумевается законодательное обеспечение объектов метрологической деятельности: средств измерений и методик выполнения измерений (МВИ). Цель этого обеспечения - сохранение единства измерений. Под единством измерений понимают характеристику качества измерений, заключающуюся в том, что результаты измерений выражаются в узаконенных единицах, раз-
10
меры которых в установленных пределах равны размерам воспроизведенных единиц, а погрешности результатов измерений известны с заданной вероятностью и не выходят за установленные пределы [1].
Закон в метрологии принято именовать стандартом. Таким образом, термин стандартизация <объекта> означает признание <объекта> законным (не стоит путать с термином правильный: правильный путь по словам того-же Шерлока Холмса - не всегда законный). В частности, стандартизация СИ и МВИ - прерогатива метрологической службы. А вот результаты измерений, проведенных квалифицированным (аттестованным) оператором с использованием узаконенных; метрологически исправных (в простейшем случае - поверенных) СИ по утвержденным МВИ, признаются законными и без участия метрологической службы.
Законность результатов измерений обязательна отнюдь не всегда, а только при измерениях в метрологии, в здравоохранении, в торговле, в спорте, в экологии и в специальных областях жизнедеятельности государства, в частности, в экспертизе. В прочих случаях могут применяться нестандартизованные СИ и МВИ, не регламентируются требования к квалификации оператора (следует, однако, заметить, что требование законности результатов измерений может выдвинуть и оплатить заказчик, например военное ведомство при приемке своей продукции).
Порядок стандартизации регламентируется комплексом законов, образующих ГСС - Государственную систему стандартизации, основные положения которой сформулированы в ГОСТ 1.0-68 [44]. Законодательной базой в области метрологии является ГСИ - государственная система стандартов обеспечения единства измерений по ГОСТ 1.25-76 [30], охватывающая комплекс государственных стандартов. К вопросам метрологии также имеют непосредственное отношение отдельные стандарты комплексов ЕСКД - единой системы конструкторской документации, ЕСТД - единой системы технологической документации, ЕССП - единой системы стандартов приборостроения, ССБТ - системы стандартов безопасности труда и ряд других.
Государственные стандарты делятся на базовые и рабочие. В ГСИ к базовым относят [29, 37, 47, 48, 49, 28, 46, 26, 25, 50, 51, 52, 53, 54, 13, 55, 19, 18, 22, 27, 17, 21, 56, 10, 57]. На их основе разрабатываются ра-
бочие стандарты ГСИ, в которых требования базовых стандартов конкретизируются по областям измерений, по измерительным процессам, по средствам измерений. Относящиеся к рабочим государственные стандарты ГСИ делят на четыре группы:
1)стандарты государственных эталонов и поверочных схем,
2)стандарты методов и средств поверки,
3)стандарты норм точности измерений,
4)стандарты методик выполнения измерений.
Подзаконный акт в законодательной метрологии имеет форму нормативно-технического документа (НТД). Виды НТД: