104

Дисциплина метрологическое обеспечение средств измерений

МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

Литература:

Основная литература

1. Правиков Ю.М. Метрологическое обеспечение производства: уч. пособие/Ю.М. Правиков, Г.Р. Муслина. –М.: КНОРУС, 2009. -240 с

2. Сергеев А.Г. Метрология: Учебник. – М.: Логос, 2005, - 408 с.

3. Лифиц И.М. Стандартизация, метрология и сертификация: Учебник. –М.:

Юрайт, 2004, - 268 с.

Дополнительная литература

4. Пронкин Н.С. Основы метрологии: практикум по метрологии и измерении-

ям/ уч. пособие для вузов. М.: Логос; Университетская книга, 2007, 392 с.

5. Никитенко Н.Ф. Методические указания к практическим занятиям по курсу

“Метрологическое обеспечение средств измерений” / Южно-Российский

гос. техн. ун-т, - г. Новочеркасск, ЮРГТУ (НПИ), 2006, 22 с.

6. Артемьев Б.Г., Лукашев Ю.Е. Поверка и калибровка средств измерений. М.:

изд-во стандартов, 2006.

7. Сигов А.С. Метрология, стандартизация и технические измерения: учебник

для вузов / Нефедов В.И.; Под ред. А.С. Сигова; - М.: Высш. шк., 2008.

8. Садовский Г.А. Теоретические основы информационно-измерительной

техники: учеб. пособие для вузов. – М.: Высш. шк. 2008. -478 с.

9. Зайдель А.Н. Ошибки измерений физических величин: учеб. пособие / 3-е

изд., стер. – СПб.: Лань, 2009.

10. Сертификация сложных технических систем / Л.Н. Александровская,

И.З. Аронов, В.В. Смирнов, А.М. Шолом; Под ред. В.И. Круглова;

учебное пособие.- М.: Логос, 2001. -312с.

11. МИ 1552-86. Государственная система обеспечения единства изме-

рений. Измерения прямые однократные. Оценивание погрешностей ре

зультатов измерений.

12. ГОСТ 8.207-76. Государственная система обеспечения единства из-

мерений. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы

обработки результатов наблюдений.

13. ПР 50.2.001. Государственная система обеспечения единства изме-

рений. Порядок проведения поверки средств измерений.

ЛЕКЦИЯ 1

Введение. Предмет и задачи курса.

Средства измерения являются источником получения количественной информации о параметрах разнообразных физических процессов: в технике, в производстве, в науке и вообще в человеческой деятельности.

Для обеспечения высокого уровня измерений недостаточно знать теорию и иметь средства измерений. Необходимо правильно пользоваться ими.

Значимость измерений настолько возросла, их проникновение во все области человеческой деятельности стало настолько глубоким и обширным, что дальнейшее развитие измерений стало невозможным без соответствующего общегосударственного обеспечения их единства, заданного уровня точности без планирования их развития и применения. Возникло новое понятие - метрологическое обеспечение.

Метрологическое обеспечение – это установление и применение научных и организованных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерений (ГОСТ 1.25-76).

Любому средству измерения, как материальному субъекту свойственны следующие этапы:

1.Разработка

2. Производство

3.Испытания

4.Эксплуатация

На всех этих этапах необходимо контролировать качество продукции, качество труда. А для этого нужно измерять, и не просто измерять, а измерять единообразно с требуемой точностью.

Единство измерений – одна из основных задач М-обеспечения –это такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах и имеют нормированную точность.

Научной основой МО является метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечениях их единства и способах достижениях требуемой точности.

Техническими основами МО являются:

1.Система государственных эталонов единиц физических величин.

2.Система передачи размеров физических величин от эталонов всем средствам измерений с помощью образцовых средств измерений и других средств поверки.

3.Система разработки, постановки на производство и выпуска с обращение рабочих средств измерений.

4.Система обязательных гос. испытаний СИ, предназначенных для серийного и массового производства и ввоза их из-за границы партиями, обеспечивающими единообразие СИ при разработке и выпуске.

5.Система обязательной государственной и ведомственной проверки или метрологической аттестации СИ, обеспечивающих единообразие СИ при изготовление, эксплуатации и ремонте.

6.Система стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов, обеспечивающих воспроизведение единиц величин, характеризующих состав и свойства веществ и материалов.

7.Система стандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществ и материалов.

Организационной основой МО является метрологическая служба СССР. Она состоит из государственной и ведомственной метрологических служб.

Нормативно – правовой основой МО являются стандарты ГСИ – Государственной системы обеспечения единства измерений(ГОСТ 1.25-76 – основные положения).

Стандартами ГСИ охватываются следующие объекты:

1.Единицы физических величин ГОСТ 8.417-81;

2.Госуд. эталоны и общие поверочные схемы;

3.Методы и средства поверки СИ;

4. Номенклатура нормируемых метрологических характеристик СИ;

5.Нормы точности измерений(ГОСТ 8.401-80);

6.Методики выполнения измерений;

7.Организация и порядок проведения государственных испытаний, поверки и метрологической аттестации СИ, метрологической экспертизы документации и д.р.

8.Термины и определения в области метрологии ( ГОСТ16263-70).

Нормативная документация по метрологии и метрологическому обеспечению делятся на:

а)стандарты (ГОСТ, ГОСТ Р);

б)рекомендации по метрологии (МИ);

в)руководящие документы по метрологии (РД);

г)правила по метрологии (ПР).

Например

1)ГОСТР 51672-2000. Метрологическое обеспечение испытаний продукции для целей подтверждения соответствия.

2) ГОСТ Р 8.563-96 ГСИ. Методики выполнения измерений.

3) МИ 1552-86 ГСИ. Измерения прямые однократные. Оценивание погрешностей результатов измерений.

4)МИ 2083-90 ГСИ. Измерения косвенные. Определения результатов измерений и оценивание их погрешностей.

5) МИ 2377-96 ГСИ. Разработка и аттестация методики выполнения измерений.

Руководящие документы

РД 50-453-84. Характеристики погрешностей и средства измерения в реальных условиях эксплуатации. Методы расчета.

Правила по метрологии

ПР 50.2.006-94 ГСИ. Поверка средств измерений. Организация и порядок проведения.

6) ГОСТ Р 8.000 ГСИ. Основные положения

ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ТОВАРОВ И УСЛУГ

В дополнение к изложенным 2-м базовым основам МО в последнее время широко применение получила новый вид деятельность – сертификация.

Сертификация продукции(или услуг) – процедура подтверждения соответствия , по средствам которой независимо от производителя (продавца, исполнителя) и потребителя( покупателя) организация удостоверяет в письменной форме, что продукция соответствует установленным требованиям.

К объектам сертификации относится продукция, услуги, работы, системы качества, персонал, рабочие места и др. В сертификации участвует первая, вторая, и третья сторона.

Первая –поставщики, Вторая –покупатели, Третья –лицо или орган независимое от организации.

Сертификация бывает обязательная и добровольная. Перечень продукции подлежащей обязательной сертификации утверждается правительством РФ.

Ни методологическая деятельность, ни стандартизация и сертификация не являются самоцелью. Эти виды деятельности нацелены на обеспечение качества (рис).

Рис. 1 Виды метрологической деятельности, определяющие качество

Качество – совокупность характеристик обьекта, относящихся к его способности удовлетворять установленные или предполагаемые потребности. Понятие качества включает три элемента.

1.Обьект

2.Потребность.

3. Характеристики.

Проблема улучшения качества может быть решена на основе четкой системы постоянно действующих улучшений- системы качества.

При этом фундаментальным является следующий принцип системы. Управление( менеджмент) качества охватывающей все стадии и этапы жизненного цикла продукции. Существует 6 стадий: 1) маркетинг 2)проектирование 3) производство 4) обращение 5) эксплуатация 6) утилизация.

Рис. 2. Стадии жизненного цикла продукции

1.Маргетинг 2.Проектирование, разработка, требование продукций. 3. Методы технического снабжения. 4. Подготовка производства продукции. 5. Производство. 6. Контроль и испытание продукции. 7. Упаковка и хранение. 8. Реализация и расширение продукции 9. Монтаж и эксплуатация производства 10. Техническая помощь и обеспечение. 11. Утилизация после использования.

Лекция №2

ЭТАЛОНЫ И ПОВЕРОЧНЫЕ СХЕМЫ

ЭТАЛОНЫ

Единство измерений достигается путём точного воспроизведения и хранения установленных единиц физических величин и передачи их размеров применяемым средствам измерения.

Воспроизведение, хранение и передачу размеров единиц осуществляют с помощью эталонов и образцовых средств измерения, используя поверочные схемы.

Высшим звеном в метрологической цепи передачи размеров являются эталоны.

Эталон - это средство измерений (комплекс СИ) обеспечивающий воспроизведение и хранение единицы о наиболее высокой предельно достижимой (при нынешнем состоянии развития науки и техники) точ­ностью. Однако, высокая точность эталона бесполезна, если ее нельзя передать образцовым и рабочим средствам измерения. Поэтому метрологической служ­бой страны предусмотрена многоступенчатая система передачи размера единицы каждой величины к рабочим СИ. Эта система изображается в виде поверочной схемы (ПС). ПС - это документ, который устанавлива­ет средства, методы и точность передача размера единицы от эталона рабочим СИ.

Государственную поверочную схему возглавляет СИ наивысшей точности - Государственный первичный эталон единицы физической величины.

При передаче единицы от эталона или образцового СИ к рабочим СИ происходит ПОВЕРКА данного СИ соответствующим СИ более высокого класса точ­ности.

Поверкой называется процесс определения погрешностей средства измерения в установление его пригодности к использованию

Напомни основные единицы международные системы СИ

Величина	Единица
	Наеменование	Обозначение
		Русское	международное
Основные единицы
Длина	Метр	м
Масса	Килограмм	кг
Время	Секунда	с
Сила эл. тока	Ампер	А	А
Термодинамич. Температура К.	кельвин	К	К
Сила света	кандела	кд
Дополнительные единицы
Плоский угол	радиан	рад
Телесный угол	стерадиан	ср
Производные единицы
Частота	Герц	Гц	С-1
Сила	Ньютон	Н	м·кг·с-2
Давление	паскаль	Па	Н/м2
Энергия, работа, Кол. теплоты	джоуль	Дж	м·кг·с-2
Мощность, Поток энергии	ватт	Вт	Дж/с

Рассмотрим кратко первичные эталоны.

Эталоны единиц длины.

Метр равен длине пути, проходимого в вакууме светом за 1/299792458 долю секунды.

Ранее в I960 г. на XI Генер. международной конференции по мерам и весам в качестве единицы длины был принят метр, размер которого выражался в длинах световых волн. Он равен 1650763,73 длин волн в ва­кууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2p₁₀ в 5₅ атома криптона - 86. Госуд. эталон метра является комплексом следующих СИ

1.Источник первичного эталонного излучения крип­тона - 86;

2.Эталонный интерферометр, служащий для измере­ния длины штриховых и концевых мер;

3.Эталонный спектроинтерферометр.

Среднее квадратическое отклонение результатов измерений метра- 5 10^-9 (ГОСТ 8.020-75).

Эталон единицы массы (ГОСТ 8.021-78)

Килограмм – ед. массы равен массе международного прототипа килограмма, который хранится в Международном бюро мер и весов в Париже. Государственным первичным эталоном килограмма СССР является копия меж­дународного прототипа №12, изготовление в 1883 г. из платиноиридиевого сплава той же плавка, что в международный прототип КГ. Прототип №12 представляет собой цилиндр, высота которого равна диаметру. Этот эталон хранится на кварцевой подставке при температуре 20±3°С и относительной влажности воздуха 65%. При сличение эталона с международным, его масса была равна 1+8,5 ·10 ^-8кг.

В состав комплекса СК эталона массы входят эталонные равноплечные весы на I кг, служащие для передачи единицы массы вторичным эталонам. С.К.О. погрешности эталона массы составляет 2 ·10^-9 кг.

Эталон единицы времени и частоты.

До недавнего времени единица времени - секунда - была определена как 1/86400 часть средних солнечных суток. Так как позднее была выявлена неравномерность вращения Земли (точность 10^-7) с I960 г. секунду стали определять как I/31556925, 9447 часть тропического года. .Это позволило сни­зить погрешность до 10^-10. Однако это оказывается недостаточным для ряда научных и технических задач. В связи с этим был осуществлён переход на атомный эталон времени. С 1967 г. секунда была установлена равной 9.192.631.770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия -133. Стабильность частоты цезиевого эталона является следствием квантовых закономерностей, устанавливающих постоянство энергии перехода атомов с одного энергетического уровня в другой. В государственном первичном эталоне времени и частота РФ используется переход между 2-мя энергетическими уровнями атоме водорода: при этом частота излучения возбуж­дённых атомов постоянна и равна 1.420.406.781.8 Гц.

Рис. Структурная схема эталона частоты с атомно-лучевой трубкой

Атомно-лучевая трубка – вакуумный сосуд, в котором образован управляемый пучок атомов цезия, находящихся на одном энергетическом уровне.

Колебания кварцевого генератора умножаются до частоты спектральной линии цезия. В атомно-лучевой трубке энергия частиц колебания поглощается атомами цезия.

Рис. Амплитудно-частотная характеристика кварцевого генератора.

При отклонение частоты кварцевого генератора от номинального значения интенсивности переходов атомов и, следовательно, плотность атомом пучка на выходе трубки резко сокращается.

Блок автоподстройки соединенный с трубкой, вырабатывает сигнал, возвращая частоту к номинальному значению.

Эталон единицы электрического тока (ГОСТ 8.022-75)

Ампер равен силе не изменившегося тока, который при прохождение по 2-м параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади поперечного сечения, расположенных в ваку­уме на расстоянии 1 м один от другого вызвал бы на каждом участке проводника длиной в 1 м силу взаимодействия равную 2·10^-7Н.

Установка для воспроизведения ампера представля­ет собой точные равноплечие весы, к одному из коромыслов подвешивается подвижный соленоид. Он рас­полагается в неподвижном соленоиде, через оба соленоида пропуска один и тот же ток. Сила взаимодействия двух соленоидов пропорциональна квадрату тока и уравновешивается силой тяжести гирь на 2-ом коромысле. Погрешность воспроизведения ампера составляет 4·10^-6 А.

В настоящее время эталон ампера воспроизводится на основе использования эталона э.д.с и высокоточных резисторов. Ампер -есть сила неизменившегося тока, который проходя по 2-м параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого сечения, расположенного на расстояние 1 м друг от друга в вакууме, вызывает между этими проводниками силу равную 2 ·10 ^-7Н на каждый метр длины.

Рис. Схема токовых весов

При равновесие весов, М – взаимная индуктивность катушек С₁ и С₂.

Образцовые меры – это меры, служащие для поверки по ним других СИ и утвержденные в качестве образцовых. Образцовой мерой э.д.с. является нормальный элемент. Образцовыми мерами сопротивления являются катушки на одно значение сопротивления 10 ⁿ Ом, где n – целое число. Образцовые катушки снабжаются 2-мя парами зажимов, два из которых называют токовыми, два других потенциальными. Погрешность их от 0,0003% до 0,001 %. В лабораторных условиях получили распространение магазины сопротивлений, емкостей, индуктивности.

Эталон единицы э.д.с.

В современной информационно-измерительной техни­ке наиболее широко распространено измерение элек­трических величин. Точность измерения эл..величин непрерывно повышается: за последнее два I0- выделяют Государственный эталон - это первичный или специальный эталон и рабочий эталон, применяемый для передачи размера единицы образцовым СИ.

Государственным эталоном единиц ЭДС является эталон на основе эффекта Джозефсона точность (1-2) 10^-7.

Поэтому в последнее время главной в развитии эталонов стала тенденция создания эталонов на основе связи размеров физических величин через физические постоянные.

Иллюстрацией этой тенденции является новый государственный эталон э.д.с. и постоянного напряжения(вольта) , основанный на применение эффекта Джозефсона. Переход Джозефсона представляет собой два сверхпроводника( свинец на стекле, раздельный окислом), разделынных тонким слоем диэлектрика. Если этот переход облучить электромагнитной энергией с частотой f , то при пропускание через переход постоянного тока на вольтамперной характеристики появляются ступени напряжения, причем напряжение на переходе связано с частотой электромагнитного облучения зависимостью

,

где n –номер ступени ВАХ перехода; h –постоянная Планка; е – заряд электрона.

Напряжение каждой ступени стабильно и не зависит от внещних влияний. Константы h, e известны с высокой точностью, а f частота может быть точно измерена.

Мера напряжения содержит переходы Джозефсона, изготовленные по особой технологии напылением полосок свинца на подложки из стекла, полоски свинца разделены слоем окисла свинца. Переходы помещены в жидкий гелий при температуре (2..4)К и подвергаются эл. магнитному облучению от генератора СВЧ с автоматической стабилизацией частоты. Мера напряжения обеспечивает высокостабильное напряжение на уровне 4..5 мВ, которое затем с помощью специального высокоточного делителя напряжения (погрешность - 3·10^-8) передается группе насыпан­ных термостатированных нормальных элементов.

Созданный эталон воспроизводит единицу (на уровне I В ) с С.К.О, не превышающей 5 10^-8В.

В качестве вторичных эталонов и образцовых мер напряжения в СССР используются нормальные элементы.

В состав эталона Вольта , созданного НПО "ВНИИМ " им. Менделеева, входят:

1.Мера напряжения, воспроизводящая вольт на основе эффекта Джозефсона;

2.Группа термостатированных (до 0,001°С) насыщенных нормальных элементов;

3.Компаратор для сличения Н.Э. с мерой на основа аффекта Джозефсона.

4.Компаратор для взаимных сличений Н.Э. а для передачи размера единицы втор. эталона.

Лекция №3