Обеспечение единства измерений. Учебное пособие

АКАДЕМИЯ СТАНДАРТИЗАЦИИ, МЕТРОЛОГИИ И СЕРТИФИКАЦИИ

А.С. ДОЙНИКОВ, С.Г. КОНДРАТЕНКО, А.Н. ЩИПУНОВ

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЕДИНСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

Учебное пособие

Москва

2016

1

УДК 539.163

Дойников А.С., Кондратенко С.Г., Щипунов А.Н. Обеспечение единства измерений: Учебное пособие. – М.: АСМС, 2016.

– 28 с.

Пособие предназначено для слушателей, повышающих квалификацию по специализациям «Поверка и калибровка средств измерений».

Учебное пособие разработано преподавателями кафедры «Физико-технические и радиотехнические измерения» профессором А.С. Дойниковым, профессором С.Г. Кондратенко, заведующим кафедрой А.Н. Щипуновым.

© АСМС, 2016

2

1. ИЗМЕРЕНИЕ, ВЕЛИЧИНЫ. СИСТЕМЫ ЕДИНИЦ ВЕЛИЧИН

1.1. Измерения. Основные положения

Область измерений обширна: наука, производство, точные технологии, медицина, обычный быт человека. Изучая явления

изакономерности в природе, создавая технические устройства

иосваивая технологические процессы, человек условно присваивает различным явлениям природы или процессам отдельные характеристики, которые в метрологии именуются величинами. Известно, что изначально человечество интересовали длина, время, масса. С точки зрения метрологии это и есть величины.

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. Количественное содержание свойства, характеризующее величину в данном объекте, определяется размером величины. Это понятие объективное. Чтобы осуществить количественную оценку размера конкретной величины, еѐ нужно измерить.

Измерение – познавательный процесс, заключающийся в сравнении путѐм физического эксперимента измеряемой величины с известной величиной, принятой за единицу.

Результатом измерения является значение величины. Значение величины – выражение величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц. Единица измерения – фиксированное значение величины, которое принято за единицу данной величины.

Таким образом, чтобы осуществить измерение, нужно в первую очередь придумать единицу величины. Необходимо также создать техническое устройство, которое воспроизводило бы эту единицу, – эталон единицы.

Эталон единицы необходимо передать другому техническому устройству, предназначенному непосредственно для измерений, – средству измерения. Средство измерения – техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящие и (или) хранящие единицу величины. Необходимо также разработать целый

3

комплекс мероприятий, направленных на передачу размера единицы от эталона к средствам измерений, а также для контроля правильности этой передачи.

1.2. Системы единиц величин

Между величинами существует взаимосвязь, которая описывается совокупностью уравнений теоретической физики. Эта взаимосвязь позволяет величины и их единицы условно объединять в системы. Под системой величин понимается совокупность величин, образованная в соответствии с принятыми принципами, когда одни величины принимают за независимые, а другие определяют как функции независимых величин. При этом независимые величины называются основными. Остальные величины, входящие в систему и определяемые через основные, называются производными. Система единиц величин – совокупность основных и производных единиц величин, образованная в соответствии с принципами для заданной системы величин.

Интеграция мирового сообщества нуждается в единообразии измерений. Для реализации такой необходимости в мире действует Международная система единиц, принятая в 1960 г. на X1 Генеральной конференции по мерам и весам (ГКМВ) и уточненная на последующих ГКМВ.

К основным величинам Международной системы относятся время, длина, масса, термодинамическая температура, сила электрического тока, сила света, количество вещества.

За единицу времени секунду (с) принято время, равное 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

За единицу длины метр (м) принята длина, проходимая светом в вакууме за интервал времени 1/299792458 с.

За единицу массы килограмм (кг) принята масса международного прототипа килограмма, представляющего собой гирю из сплава платины и иридия.

За единицу термодинамической температуры Кельвин (К) принята 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды.

4

За единицу силы электрического тока Ампер (А) принята сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызвал бы между этими проводниками силу, равную 2·10–7 Н на каждый метр длины.

За единицу силы света канделу (кд) принята сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540 1012 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.

За единицу количества вещества моль принято количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько атомов содержится в нуклиде углерод-12 массой

0.012 кг.

Производные единицы Международной системы образуются из основных на основании физических законов или определений, устанавливающих связь между величинами. При образовании производных единиц полученные единицы имеют либо наименование, состоящее из наименований соответствующих исходных единиц, либо собственное наименование.

Так, единица скорости получается из определения v TL ,

где v – скорость, L – длина, T – время.

За единицу скорости принят метр в секунду (м/с). Наименование единицы скорости состоит из наименований соответствующих величин (метр, секунда).

Другой пример. Единица сила имеет собственное наименование – Ньютон (Н). Сила устанавливается из закона Ньютона:

F = М а,

где М – масса, а – ускорение.

Ускорение устанавливается из определения a TL .

Следовательно, F MLT , а 1 Н = 1 кг·м·с–1.

5

Таким образом, можно определить связь любых единиц системы с основными единицами. В общем виде такая связь выражается уравнением

z = L М Т I J,

где z – величина, для которой определяется производная единица; L, М, Т, I, , J – основные величины;

, , , , , – показатели степени, в которой данная величина входит в уравнение связи искомой величины и основных величин.

Выражение (1) называется размерностью величины.

Размеры единиц часто в практике неудобны. Поэтому допускается использование кратных и дольных единиц, т.е. единиц, которые в целое число раз больше или меньше единиц системы. Наиболее часто применяются единицы, которые получаются умножением исходных единиц на число 10, возведенное в степень. Если степень имеет отрицательный знак, то получим дольные единицы, если положительный, то кратные единицы. В таблице приведен перечень наиболее применяемых десятичных множителей и соответствующих им приставок. Обозначения приставок пишутся слитно с обозначением единиц.

Перечень наиболее применяемых десятичных множителей и приставок

6

2.ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЕДИНСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

2.1.Основные метрологические понятия и термины

Достижение единства и требуемой точности измерений – основная задача обеспечения единства измерений.

Единство измерений – такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в допущенных к применению в стране единицах, а показатели точности измерений не выходят за установленные границы.

Обеспечение единства измерений (ОЕИ) – деятельность, направленная на установление и применение научных, правовых, организационных и технических основ, правил, норм и средств, необходимых для достижения заданного уровня единства измерений.

Измерение – совокупность операций, выполняемых для определения количественного значения величины.

Средство измерений (СИ) – техническое средство, предназначенное для измерений.

Стандартный образец (СО) – образец вещества (материала) с установленными по результатам испытаний значениями одной или более величин, характеризующих состав или свойство этого вещества (материала).

Тип СИ – совокупность СИ, предназначенных для измерений одних и тех же величин, выраженных в одних и тех же единицах, основанных на одном принципе действия, имеющих одинаковую конструкцию и изготовленных по одной технической документации.

Утверждение типа СИ – документально оформленное в установленном порядке решение о признании соответствия типа СИ метрологическим и техническим требованиям на основании результата специальных испытаний.

Поверка СИ – совокупность операций, выполняемых в целях подтверждения соответствия СИ метрологическим требованиям.

Калибровка СИ – совокупность операций, выполняемых с целью определения действительных значений метрологических характеристик СИ.

Передача размера единицы – приведение единицы величины, хранимой СИ, к единице величины, воспроизводимой эталоном данной единицы величины.

7

Методика (метод) измерений (в том числе поверки, калибровки СИ) – совокупность конкретно описанных операций, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с установленными показателями точности.

Метрологическая экспертиза – анализ и оценка правильности установления и соблюдения метрологических требований применительно к объекту, подвергаемому экспертизе.

Метрологическая служба – организующие и (или) выполняющие работы по обеспечению единства измерений структурное подразделение центрального аппарата федеральной власти органа исполнительной власти и (или) его территориального органа, подразделение юридического лица либо объединения юридических лиц, работники юридических лиц, индивидуальные предприниматели.

Федеральный государственный метрологический надзор – контрольная деятельность в сфере государственного регулирования ОЕИ, осуществляемая уполномоченными федеральными органами исполнительной власти и заключающаяся в систематической проверке соблюдения установленных законодательством обязательных требований, а также в применении установленных законодательство мер за нарушения.

Государственная система ОЕИ (ГСИ) – государственная система управления субъектами, нормами, средствами и видами деятельности по обеспечению заданного уровня единства измерений. ГСИ состоит из следующих подсистем: правовой, организационной и технической.

Аттестация методик (методов) измерений – исследование и подтверждение соответствия методик измерений установленным метрологическим требованиям к измерениям.

2.2.Сфера государственного регулирования ОЕИ

Вцелях защиты прав и законных интересов граждан ОЕИ находится в сфере государственных интересов и подконтрольно государственным органам.

Сфера государственного регулирования ОЕИ распространяется на измерения, к которым установлены обязательные метрологические требования и которые выполняются:

8

1)при осуществлении деятельности в области здравоохранения;

2)при осуществлении ветеринарной деятельности;

3)при осуществлении деятельности в области охраны окружающей среды;

4)при осуществлении деятельности в области гражданской обороны, защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, обеспечения пожарной безопасности, безопасности людей на водных объектах;

5)при выполнении работ по обеспечению безопасных условий и охраны труда;

6)при осуществлении производственного контроля за соблюдением установленных законодательством Российской Федерации требований промышленной безопасности к эксплуатации опасного производственного объекта;

7)при осуществлении торговли, выполнении работ по расфасовке товаров;

8) при выполнении государственных учетных операций

иучете количества энергетических ресурсов;

9)при оказании услуг почтовой связи, учете объема оказанных услуг электросвязи операторами связи и обеспечении целостности и устойчивости функционирования сети связи общего пользования;

10) при осуществлении деятельности в области обороны

ибезопасности государства;

11)при осуществлении геодезической и картографической деятельности;

12)при осуществлении деятельности в области гидрометеорологии, мониторинга состояния и загрязнения окружающей среды;

13)при проведении банковских, налоговых, таможенных операций и таможенного контроля.

К сфере государственного регулирования ОЕИ относятся также измерения, предусмотренные законодательством Российской Федерации о техническом регулировании.

Сфера государственного регулирования ОЕИ распространяется также на единицы величин, эталоны единиц величин, СО

иСИ, к которым установлены обязательные требования. Обязательные требования к измерениям, эталонам единиц

величин, стандартным образцам и средствам измерений устанав-

9

ливаются законодательством Российской Федерации об обеспечении единства измерений и законодательством Российской Федерации о техническом регулировании. Также устанавливаются обязательные требования к единицам величин, выполнению работ и (или) оказанию услуг по ОЕИ.

Особенности ОЕИ при осуществлении деятельности в области обороны и безопасности государства и в области использования атомной энергии устанавливаются Правительством Российской Федерации.

Государственное регулирование в области ОЕИ осуществляется следующими способами: утверждение типа СО и типа СИ; поверка СИ; метрологическая экспертиза; федеральный государственный метрологический надзор; аттестация методик измерений и аккредитация юридических лиц и индивидуальных предпринимателей на выполнение работ и (или) оказания услуг в области ОЕИ.

2.3. Утверждение типа СИ и СО

Тип СО или тип СИ, применяемых в сфере государственного регулирования ОЕИ, подлежат обязательному утверждению. При утверждении типа СИ устанавливаются показатели точности, интервал между поверками СИ, а также методика поверки данного типа СИ.

Решение об утверждении типа СО или типа СИ принимается федеральным органом исполнительной власти, осуществляющим функции по оказанию государственных услуг и управлению государственным имуществом в области ОЕИ, на основании положительных результатов испытаний СО или СИ в целях утверждения типа.

Утверждение типа СО или типа СИ удостоверяется свидетельством, выдаваемым федеральным органом исполнительной власти, осуществляющим функции по оказанию государственных услуг и управлению государственным имуществом в области ОЕИ. В течение срока действия свидетельства об утверждении типа СИ интервал между поверками СИ может быть изменен только федеральным органом исполнительной власти, осуществляющим функции по оказанию государственных услуг и управлению государственным имуществом в области ОЕИ.

10