Оглавление
Метрология 2
1. Сущность стандартизации, сертификации и метрологии, и их взаимосвязь. 2
2. Основные понятия в области метрологии, краткая история метрологии, роль измерений и значение метрологии 3
3. Измеряемые свойства и их меры, размерность, размер и значение измеряемой величины, единицы измерения физических величин. ФВ, ее количественные и качественные характеристики. Системы единиц измеряемых величин. Международная система единиц. Кратные и дольные единицы ФВ. Правила написания единиц ФВ. Передача размера единиц ФВ от эталона к рабочим средствам измерений. Шкалы ФВ. Аксиомы метрологии. 6
4. Виды измерений, классификация видов измерений. Методы измерений: метод непосредственной оценки, нулевой, дифференциальный, совпадений. 12
6. Классификация погрешностей измерений. Определение нормирующего значения при расчете приведенной погрешности. Анализ погрешности измерений, последовательность и содержание операций при проведении измерений. Меры по исключению и уменьшению погрешностей в процессе измерений. Правила округления погрешностей. Правила записи результатов измерений. 25
7. Законодательство в области метрологического обеспечения, государственное управление обеспечением единства измерений, государственная метрологическая служба. Метрологические службы государственных органов управления и юридических лиц. 34
8. Калибровка СИ. Техническое регулирование в области метрологии. Обеспечение единства измерений. 39
9. Неопределенность измерений. 41
Метрология
Сущность стандартизации, сертификации и метрологии, и их взаимосвязь.
Проблема обеспечения высокого качества продукции находится в прямой зависимости от степени метрологического обслуживания и обеспечения производства. Проблема заключается в умении правильно измерять и контролировать параметры материалов, изделий и других видов продукции, поддерживать заданные технологические режимы, измеряя множество параметров технологических процессов, результаты которых преобразуются в управляющие команды.
В соответствии с ГОСТ 125–76 «Метрологическое обеспечение. Основные положения» метрологическое обеспечение – это установление и применение научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерений.
Научной основой метрологического обеспечения является метрология. В соответствии с РМГ 29–99 «Метрология. Основные термины и определения». Метрология – это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.
Метрология органически связана со стандартизацией. Эта связь выражается, прежде всего, в стандартизации единиц измерений, системы государственных эталонов, средств измерений и методов поверок, в создании стандартных образцов свойств и состава веществ. В свою очередь, стандартизация опирается на метрологию, обеспечивающую правильность, достоверность, требуемую точность и сопоставимость результатов испытаний материалов и изделий, а также использует методы определения и контроля качества, разработанные и метрологически аттестованные.
На метрологическое обеспечение в различных отраслях промышленности тратится 25–30 % общих затрат. Снижение этих затрат и повышение качества продукции возможно только с решением вопросов сертификации продукции и систем качества.
Поэтому на современном этапе проблемы сертификации, стандартизации и метрологии органически связаны.
Основные понятия в области метрологии, краткая история метрологии, роль измерений и значение метрологии
Наука, изучающая измерения, называется метрологией. Слово "метрология" образовано из двух греческих слов: "метрон" – мера и "логос" – учение. Дословный перевод слова "метрология" – учение о мерах. Долгое время метрология оставалась в основном описательной (эмпирической) наукой о различных мерах и соотношениях между ними. Существенное развитие метрология получила в XX в. благодаря развитию математических и физических наук.
Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.
Метрология состоит из трёх самостоятельных и взаимодополняющих разделов – теоретического, прикладного и законодательного.
Теоретическая метрология занимается общими фундаментальными вопросами теории измерений, разработкой новых методов измерений, созданием систем единиц измерений и физических постоянных.
Законодательная метрология устанавливает обязательные технические и юридические требования по применению единиц физических величин, эталонов, методов и средств измерений, направленные на обеспечение единства и точности измерений в интересах общества.
Прикладная метрология изучает вопросы практического применения результатов разработок теоретической и законодательной метрологии в различных сферах деятельности.
Предметом метрологии является получение количественной информации о свойствах объектов и процессов с заданной точностью.
Средства метрологии – это совокупность средств измерений и метрологических стандартов, обеспечивающих их рациональное использование.
Во всех случаях проведения измерений, независимо от измеряемой величины, метода и средства измерений, есть общее, что составляет основу измерений, – это сравнение опытным путём данной величины с другой, подобной ей, принятой за единицу. При всяком измерении мы с помощью эксперимента оцениваем физическую величину в виде некоторого числа принятых для неё единиц, т.е. находим её значение.
В настоящее время установлены следующие определения измерения:
измерение – совокупность операций, выполняемых для определения количественного значения величины;
измерение – совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с её единицей и получение значения этой величины.
Основные задачи метрологии:
Установление единиц физических величин, государственных эталонов и образцовых средств измерений.
Разработка теории, методов и средств измерений и контроля.
Обеспечение единства измерений.
Разработка методов оценки погрешностей, состояния средств измерения и контроля.
Разработка методов передачи размеров единиц от эталонов или образцовых средств измерений рабочим средствам измерений.
Одна из главных задач метрологии – обеспечение единства измерений.
Единство измерений – состояние измерений, характеризующееся тем, что их результаты выражаются в узаконенных единицах, размеры которых в установленных пределах равны размерам единиц, воспроизводимых первичными эталонами, а погрешности результатов измерений известны и с заданной вероятностью не выходят за установленные пределы.
Единство измерений может быть обеспечено при соблюдении двух условий, которые можно назвать основополагающими:
выражение результатов измерений в допущенных к применению в Российской Федерации единицах величин;
установление допустимых ошибок (погрешностей) результатов измерений и пределов, за которые они не должны выходить.
Погрешностью называют отклонение результата измерений от действительного (истинного) значения измеряемой величины.
Следует иметь в виду, что истинное значение физической величины считается неизвестным и применяется в теоретических исследованиях; действительное значение физической величины устанавливается экспериментально в предположении, что результат измерения максимально приближается к истинному значению.
Точность измерений – одна из характеристик качества измерения, отражающая близость к нулю погрешности результата измерения
Потребность в измерениях возникла с незапамятных времен. Для этого в первую очередь использовались подручные средства. Из глубины веков дошли до нас единица массы драгоценных камней – карат, что в переводе с языков древнего юго-востока означает «семя боба» (горошина), а также единица аптекарской массы – гран, что в переводе с латинского означает «зерно». В Киевской Руси применялись меры «вершок» – длина фаланги указательного пальца, «локоть» – расстояние от локтя до конца среднего пальца, «сажень» – три локтя, «верста» и др. Древние вавилоняне до н.э. установили меры времени: год, месяц, час, минута. Установленные образцовые меры хранились в церквах и монастырях.
Важнейшим метрологическим документом является «Двинская грамота» Ивана Грозного (1550 г.). В ней регламентированы правила хранения и передачи размера меры сыпучих веществ – осьмины. Ее медные экземпляры рассылались по городам на хранение выборным людям (старостам, целовальникам). С этих мер надлежало сделать клейменные деревянные копии для городских померщиков. С этих копий готовились деревянные копии для использования в обиходе, то есть при Иване Грозном началась создаваться государственная система обеспечения единства измерений и государственной метрологической службы.
Метрической реформой Петра I к обращению в России были допущены английские меры: футы, дюймы, приравнена сажень семи английским футам с делением ее на три аршина. Были выделены также метрологические центры: комерц-коллегия, занимавшаяся вопросами единства мер и метрологического обслуживания в области торговли, адмиралтейств-коллегия заботилась о правильном применении угломерных приборов, компасов и соответствующих мер, беринг-коллегия опекала измерительное хозяйство горных заводов, рудников и монетных дворов. Петербургская академия наук, основанная в 1725 году, занималась воспроизведением угловых единиц, единиц времени и температуры. Она имела в своем распоряжении образцовые меры и эталоны.
В 1736 г. по решению сената в России был организован единый метрологический центр – Комиссия весов и мер под председательством директора монетного двора графа М.Г. Головина. В состав комиссии входил Л. Эйлер. В качестве исходных мер комиссия изготовила медный аршин, деревянную сажень и специальное ведро. Был создан эталонный фунт. В 1747 г. была изготовлена бронзовая золоченая гиря (фунт), которая просуществовала 100 лет.
В 1954 г. был создан Комитет стандартов, мер и измерительных приборов при Совете Министерств СССР, который возглавил всю работу в стране по метрологии, стандартизации и измерительной технике.
Первое международное объединение по метрологии было создано в 1875 г. Метрическую конвенцию подписали 17 стран (в том числе и Россия), цель которой заключалась в унификации национальных систем единиц измерений и установлении единых эталонов длины и массы (метра и килограмма). На основе этой конвенции была создана межправительственная Международная организация мер и весов (МОМВ). Генеральная конференция по мерам и весам собирается не реже одного раза в четыре года. Первая конференция состоялась в 1898 г.
В 1956 г. создана Международная организация законодательной метрологии. (МОЗМ), объединяющая более 80 государств.
Измеряемые свойства и их меры, размерность, размер и значение измеряемой величины, единицы измерения физических величин. ФВ, ее количественные и качественные характеристики. Системы единиц измеряемых величин. Международная система единиц. Кратные и дольные единицы ФВ. Правила написания единиц ФВ. Передача размера единиц ФВ от эталона к рабочим средствам измерений. Шкалы ФВ. Аксиомы метрологии.
Физическая величина – одно из свойств физического объекта (физической системы, явления или процесса), общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них.
Размер физической величины (размер величины) – количественная определенность физической величины, присущая конкретному материальному объекту, системе, явлению или процессу.
Значение физической величины (значение величины) – выражение размера физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц.
Истинное значение физической величины – значение физической величины, которое идеальным образом характеризует в качественном и количественном отношении соответствующую физическую величину.
Действительное значение физической величины – значение физической величины, полученное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному значению, что в поставленной измерительной задаче может быть использовано вместо него.
Система физических величин – совокупность физических величин, образованная в соответствии с принятыми принципами, когда одни величины принимают за независимые, а другие определяют как функции независимых величин.
Основная физическая величина – физическая величина, входящая в систему величин и условно принятая в качестве независимой от других величин этой системы.
Производная физическая величина – физическая величина, входящая в систему величин и определяемая через основные единицы этой системы.
Размерность физической величины (размерность величины) – выражение в форме степенного одночлена, составленного из произведений символов основных физических величин в различных степенях и отражающее связь данной физической величины с физическими величинами, принятыми в данной системе величин за основные с коэффициентом пропорциональности, равным 1.
В ИСО 31/0 размерность величин обозначают L`M``T`(длина,масса, время).
Cистема единиц физических величин (система единиц) – совокупность основных и производных единиц физических величин, образованная в соответствии с принципами, положенными в основу данной системы физических величин. Первой системой единиц считается метрическая система.
Основные единицы Международной системы единиц были выбраны в 1954 г. Х Генеральной конференцией по мерам и весам. При этом исходили из того, чтобы:
охватить системой все области науки и техники;
создать основу образования производных единиц для различных физических величин;
принять удобные для практики размеры основных единиц, уже получившие широкое распространение;
выбрать единицы таких величин, воспроизведение которых с помощью эталонов возможно с наибольшей точностью.
Международная система единиц включает в себя две дополнительные единицы – для измерения плоского и телесного углов.
Кратная единица – единица физической величины, в целое число раз большая системной или внесистемной единицы.
Дольная единица – единица физической величины, в целое число раз меньшая системной или внесистемной единицы.
Наиболее прогрессивным способом образования кратных и дольных единиц является принятая в метрической системе мер десятичная кратность между большими и меньшими единицами. В соответствии с резолюцией XI Генеральной конференции по мерам и весам десятичные кратные и дольные единицы от единиц СИ образуются путём присоединения приставок.
Правила написания единиц ФВ:
Обозначения единиц печатают прямым шрифтом, точку как знак сокращения после обозначения не ставят.
Обозначения помещают за числовыми значениями величин через пробел, перенос на другую строку не допускается. Исключения составляют обозначения в виде знака над строкой, перед ними пробел не ставится. Примеры: 10 м/с, 15°.
Если числовое значение представляет собой дробь с косой чертой, его заключают в скобки, например: (1/60) с−1.
При указании значений величин с предельными отклонениями их заключают в скобки или проставляют обозначение единицы за числовым значением величины и за её предельным отклонением: (100,0 ± 0,1) кг, 50 г ± 1 г.
Обозначения единиц, входящие в произведение, отделяют точками на средней линии (Н·м, Па·с), не допускается использовать для этой цели символ «×». В машинописных текстах допускается точку не поднимать или разделять обозначения пробелами, если это не может вызвать недоразумения.
В качестве знака деления в обозначениях можно использовать горизонтальную черту или косую черту (только одну). При применении косой черты, если в знаменателе стоит произведение единиц, его заключают в скобки. Правильно: Вт/(м·К), неправильно: Вт/м/К, Вт/м·К.
Допускается применять обозначения единиц в виде произведения обозначений единиц, возведённых в степени (положительные и отрицательные): Вт·м−2·К−1, А·м². При использовании отрицательных степеней не разрешается использовать горизонтальную или косую черту (знак деления).
Допускается применять сочетания специальных знаков с буквенными обозначениями, например: °/с (градус в секунду).
Не допускается комбинировать обозначения и полные наименования единиц. Неправильно: км/час, правильно: км/ч.
Обозначения единиц, произошедшие от фамилий, пишутся с заглавной буквы, в том числе с приставками СИ, например: ампер — А, мегапаскаль — МПа, килоньютон — кН, гигагерц — ГГц.
Все меры длины, площади и т. п. обязательно обозначаются цифрами, единицы счета и физических величин приводятся сокращенно. При этом в конце сокращенного обозначения единиц измерения точка как знак сокращения не ставится: 10 т; 15 м2; 50 см3.
При проведении измерений необходимо обеспечить их единство.
Единство измерений - характеристика качества измерений, заключающаяся в том, что их результаты выражаются в узаконенных единицах, размеры которых в установленных пределах равны размерам воспроизведенных величин, а погрешности результатов измерений известны с заданной вероятностью и не выходят за установленные пределы. Понятие охватывает важнейшие задачи метрологии: унификацию единиц ФВ, разработку систем воспроизведения величин и передачи их размеров рабочим средствам измерений с установленной.
Для обеспечения единства измерений необходима тождественность единиц, в которых проградуированы все существующие СИ одной и той же величины. Это достигается путем точного воспроизведения и хранения в специализированных учреждениях установленных единиц ФВ и передачи их размеров применяемым СИ.
Воспроизведение единицы физической величины — это совокупность операций по материализации единицы ФВ с наивысшей точностью посредством государственного эталона или исходного образцового СИ. Различают воспроизведение основной и производной единиц.
Воспроизведение основной единицы — это воспроизведение единицы путем создания фиксированной по размеру ФВ в соответствии с определением единицы. Оно осуществляется с помощью государственных первичных эталонов.
Воспроизведение производной единицы — это определение значения ФВ в указанных единицах на основании косвенных измерений других величин, функционально связанных с измеряемой. Так, воспроизведение единицы силы — ньютона — осуществляется на основании известного уравнения механики Р = mg, где m — масса; g — ускорение свободного падения.
Передача размера единицы — это приведение размера единицы, хранимой поверяемым средством измерений, к размеру единицы, воспроизводимой или хранимой эталоном, осуществляемое при поверке или калибровке. Размер единицы передается "сверху вниз" — от более точных СИ к менее точным.
Хранение единицы — совокупность операций, обеспечивающих неизменность во времени размера единицы, присущего данному СИ. Хранение эталона единицы ФВ предполагает проведение взаимосвязанных операций, позволяющих поддерживать метрологические характеристики эталона в установленных пределах. При хранении первичного эталона выполняются регулярные его исследования, включая сличения с национальными эталонами других стран с целью повышения точности воспроизведения единицы и совершенствования методов передачи ее размера.
Эталон — средство измерений (или комплекс СИ), предназначенное для воспроизведения и (или) хранения единицы и передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме СИ и утвержденное в качестве эталона в установленном порядке. Классификация, назначение и общие требования к созданию, хранению и применению эталонов устанавливает ГОСТ 8.057—80.
Перечень эталонов не повторяет перечня ФВ. Для ряда единиц эталоны не создаются из-за того, что нет возможности непосредственно сравнивать соответствующие ФВ, например, нет эталона площади. Не создаются эталоны и в том случае, когда единица ФВ воспроизводится с достаточной точностью на основе сравнительно простых средств измерений других ФВ.
Конструкция эталона, его физические свойства и способ воспроизведения единицы определяются ФВ, единица которой воспроизводится, и уровнем развития измерительной техники в данной области измерений. Эталон должен обладать, по крайней мере, тремя взаимосвязанными свойствами: неизменностью, воспроизводимостью и сличаемостью.
Неизменность— свойство эталона удерживать неизменным размер воспроизводимой им единицы в течение длительного интервала времени. При этом все изменения, зависящие от внешних условий, должны быть строго определенными функциями величин, доступных точному измерению.
Воспроизводимость — возможность воспроизведения единицы ФВ (на основе ее теоретического определения) с наименьшей погрешностью для существующего уровня развития измерительной техники. Это достигается путем постоянного исследования эталона в целях определения систематических погрешностей и их исключения путем введения соответствующих поправок.
Сличаемостъ — возможность сличения с эталоном других СИ, нижестоящих по поверочной схеме, в первую очередь вторичных эталонов, с наивысшей точностью для существующей техники измерения. Это свойство предполагает, что эталоны по своему устройству и действию не вносят каких-либо искажений в результаты сличений и сами не претерпевают изменений в результате сличений.
Виды эталонов:
Первичный эталон — это эталон, воспроизводящий единицу физической величины с наивысшей точностью, возможной в данной области измерений на современном уровне научно-технических достижений. Первичный эталон может быть национальным (государственным) и международным.
Вторичный эталон — эталон, получающий размер единицы непосредственно от первичного эталона данной единицы.
Эталон сравнения — эталон, применяемый для сличений эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличены друг с другом.
Исходный эталон — эталон, обладающий наивысшими метрологическими свойствами (в данной лаборатории, организации, на предприятии), от которого передают размер единицы подчинённым эталонам и имеющимся средствам измерений.
Рабочий эталон — эталон, предназначенный для передачи размера единицы рабочим средствам измерений.
Государственный первичный эталон — первичный эталон, признанный решением уполномоченного на то государственного органа в качестве исходного на территории государства.
Международный эталон — эталон, принятый по международному соглашению в качестве международной основы для согласования с ним размеров единиц, воспроизводимых и хранимых национальными эталонами.
Шкала физической величины – это упорядоченная совокупность значений физической величины, служащая исходной основой для измерений данной величины.
Различают следующие типы шкал измерений:
Шкалы наименований характеризуются оценкой (отношением) эквивалентности различных качественных проявлений свойства. Эти шкалы не имеют нуля и единицы измерений, в них отсутствуют отношения сопоставления типа "больше-меньше". Это самый простой тип шкал. Пример: шкалы цветов, представляемые в виде атласов цветов. При этом процесс измерений заключается в достижении (например, при визуальном наблюдении) эквивалентности испытуемого образца с одним из эталонных образцов, входящих в атлас цветов.
Шкалы порядка описывают свойства величин, упорядоченные по возрастанию или убыванию оцениваемого свойства, т.е. позволяют установить отношение больше/меньше между величинами, характеризующими это свойство. В этих шкалах отсутствует единица измерения, так как невозможно установить, в какое число раз больше или меньше проявляется свойство величины. Пример: шкалы измерения твёрдости, баллов силы ветра, землетрясений.
Шкалы интервалов (разностей) описывают свойства величин не только с помощью отношений эквивалентности и порядка, но также и с применением отношений суммирования и пропорциональности интервалов (разностей) между количественными проявлениями свойства. Эти шкалы могут иметь условную нулевую точку. Пример: летоисчисление по различным календарям, температурные шкалы (Цельсия, Фаренгейта, Реомюра).
Шкалы отношений описывают свойства величин, для множества количественных проявлений которых применимы логические отношения эквивалентности, порядка и пропорциональности, а для некоторых шкал также отношение суммирования. В шкалах отношений существует естественный нуль и по согласованию устанавливается единица измерения. Пример: шкала массы, шкала термодинамической температуры Кельвина.
Абсолютные шкалы кроме всех признаков шкал отношений обладают дополнительным признаком: в них присутствует однозначное определение единицы измерения. Такие шкалы присущи таким относительным единицам, как коэффициенты усиления, ослабления, полезного действия и т.д.
Условные шкалы – шкалы величин, в которых не определена единица измерения. К ним относятся шкалы наименований и порядка.
Аксиомы метрологии
Любое измерение есть сравнение.
Любое измерение без априорной информации невозможно.
Результат любого измерения без округления значения является случайной величиной.