Метрологические основы поверки и калибровки. Учебное пособие

АКАДЕМИЯ СТАНДАРТИЗАЦИИ, МЕТРОЛОГИИ И СЕРТИФИКАЦИИ

Ю.А. БАРЫШЕВ, Н.Н. ВОСТРОКНУТОВ, Л.А. РОМАНОВА

МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОВЕРКИ И КАЛИБРОВКИ

Учебное пособие

Москва

2018

ВВЕДЕНИЕ

На заре формирования различных областей познания и зарождения основ науки всегда присутствовал элемент сравнения как попытка начала формирования основ измерений. Поэтому можно смело считать измерение основой для научного познания мира. То есть основой для появления любой науки является метрология. И по праву метрологию можно считать одной из самых древних наук на Земле.

Впрошлых тысячелетиях наука не делилась на специальности

итем более специализации, как сейчас, когда понятие «профессия» размывается на отдельные виды и подвиды. Ранее метрология развивалась вместе с арифметикой, астрономией, философией и геометрией, но в основе всегда было измерение.

Древние ученые всегда понимали понятие единства измерений

иважность его для научных целей. Поэтому с развитием науки и философии формировались основы метрологии как самостоятельной науки.

На сегодняшний день метрология остается ведущей и направляю-

ни современная экономика страны.

Метрология есть, была и будет основой научного и технологического прогресса страны.

3

СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ

Вучебном пособии применяются следующие основные понятия

всоответствии с Федеральным законом № 102-Ф3 «Об обеспечении единства измерений»:

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

Ввод в эксплуатацию средства измерений – документально оформленная в установленном порядке готовность средства измерений к использованию по назначению.

Государственный метрологический надзор – контрольная деятельность в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений, осуществляемая уполномоченными федеральными органами исполнительной власти и заключающаяся в систематической проверке соблюдения установленных законодательством Российской Федерации обязательных требований, а также в применении установленных законодательством Российской Федерации мер за нарушения, выявленные во время надзорных действий.

Государственный первичный эталон единицы величины –

государственный эталон единицы величины, обеспечивающий воспроизведение, хранение и передачу единицы величины с наивысшей в Российской Федерации точностью, утверждаемый в этом качестве в установленном порядке и применяемый в качестве исходного на территории Российской Федерации.

Государственный эталон единицы величины – эталон единицы величины, находящийся в федеральной собственности;

Единица величины – фиксированное значение величины, которое принято за единицу данной величины и применяется для количественного выражения однородных с ней величин.

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

4

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

Калибровка средств измерений – совокупность операций,

выполняемых в целях определения действительных значений метрологических характеристик средств измерений.

Методика (метод) измерений – совокупность конкретно описанных операций, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с установленными показателями точности.

Метрологическая служба – организующие и (или) выполняющие работы по обеспечению единства измерений и (или) оказывающие услуги по обеспечению единства измерений структурное подразделение центрального аппарата федерального органа исполнительной власти и (или) его территориального органа, юридическое лицо или структурное подразделение юридического лица либо объединения юридических лиц, работники юридического лица, индивидуальный предприниматель.

Метрологическая экспертиза – анализ и оценка правильности установления и соблюдения метрологических требований применительно к объекту, подвергаемому экспертизе. Метрологическая экспертиза проводится в обязательном (обязательная метрологическая экспертиза) или добровольном порядке.

(параметрам) измерений, эталонов единиц величин, стандартных образцов, средств измерений, а также к условиям, при которых эти характеристики (параметры) должны быть обеспечены.

Обязательные метрологические требования – метрологические требования, установленные нормативными правовыми актами Российской Федерации и обязательные для соблюдения на территории Российской Федерации.

Передача единицы величины – приведение единицы величины, хранимой средством измерений, к единице величины, воспроизводимой эталоном данной единицы величины или стандартным образцом.

Поверка средств измерений (далее – поверка) – совокупность операций, выполняемых в целях подтверждения соответствия средств измерений метрологическим требованиям.

5

Прослеживаемость – свойство эталона единицы величины или средства измерений, заключающееся в документально подтвержденном установлении их связи с государственным первичным эталоном соответствующей единицы величины посредством сличения эталонов единиц величин, поверки, калибровки средств измерений.

Прямое измерение – измерение, при котором искомое значение величины получают непосредственно от средства измерений.

Сличение эталонов единиц величин – совокупность операций,

устанавливающих соотношение между единицами величин, воспроизводимых эталонами единиц величин одного уровня точности и в одинаковых условиях.

Средство измерений – техническое средство, предназначенное для измерений.

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

Технические требования к средствам измерений – требования,

которые определяют особенности конструкции средств измерений (без ограничения их технического совершенствования) в целях сохранения их метрологических характеристик в процессе эксплуатации средств измерений, достижения достоверности результата измерений, предотвращения несанкционированных настройки и вмешательства, а также требования, обеспечивающие безопасность и электромагнитную совместимость средств измерений.

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

Эталон единицы величины – техническое средство, предназначенное для воспроизведения, хранения и передачи единицы величины.

6

ЧАСТЬ 1. ГОСУДАРСТВЕННАЯ СИСТЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЕДИНСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

1.1. Общие положения

Измерение – одна из древнейших сфер человеческой деятельности. Измерения возникли задолго до возникновения торговли. Сравнительно позже появились основы метрологии как науки. Посмотрим Библию (Ветхий Завет).

«10. Да будут у вас правильная ефа и правильный бат.

11.Ефа и бат должны быть одинаковой меры, так, чтобы бат вмещал в себя десятую часть хомера и ефа десятую часть хомера; мера их должна определяться по хомеру.

12.В сикле двадцать гер; а двадцать сиклей, двадцать пять сиклей и пятнадцать сиклей составлять будут у вас мину».

Книга Пророка Иезекииля, глава 45

Это похоже на описание системы мер и поверочной схемы.

«15. Гиря у тебя должна быть точная и правильная, чтобы продлились дни твои на земле, которую Господь Бог твой дает тебе.

16. Ибо мерзок перед Господом Богом твоим всякий делающий неправду».

Книга Второзаконие, глава 25

Это уже похоже на первые попытки перехода к «законодательной метрологии» и обеспечению единства измерений. Уже в те времена различались понятия о «точности» (отсутствие случайных погрешностей) и «правильности» (отсутствие систематических погрешностей – соответствие эталону).

Итолько в ХIХ веке наука сформировалась в современном виде

иродоначальником метрологии, как науки, на Руси надо считать Д.И. Менделеева. Это его слова: «Наука начинается, когда начинают измерять…». Д.И. Менделеев первый на Руси начал практически заниматься вопросом обеспечения единства измерений, создав Главную Палату мер и весов [1].

Продолжателем идей Д.И. Менделеева и основоположником современной науки об измерениях (метрологии) в СССР можно считать М.Ф. Маликова [2]. В этой книге он относит себя ко второму поколе-

7

нию учеников Д.И. Менделеева в области метрологии. Книга является

научной и терминологической основой подавляющего большинства последующих, в том числе «фундаментальных», трудов в области метрологии. Однако эта книга практически недоступна, можно пользоваться книгой [3], но и она в части измерений электрических величин устарела.

Основополагающими понятиями метрологии являются понятия

об измеряемой величине и измерении.

Под измеряемой величиной в электротехнике понимают или некоторую физическую (электрическую) величину, размер которой необходимо установить (измерить), например сопротивление резистора, или некоторый параметр протекающего во времени процесса, связанного с физической величиной, например действующее значение переменного напряжения, размер которого необходимо установить (измерить).

Классическое определение понятия измерение дано в [2]: «Измерением мы называем познавательный процесс, заключающийся в сравнении путем физического эксперимента данной величины с некоторым ее значением, принятым за единицу сравнения». Это определение будем называть «классическим». Только в нем отражены все аспекты (признаки) феномена «измерение».

В начале 60-х годов прошлого века в связи с бурным развитием вычислительной техники и систем автоматики это определение «устарело». Слово «познавательный процесс» в определении предполагает участие в измерении субъекта, обладающего сознанием, в основном, человека. Однако в это время начинают распространяться устройства, воспринимающие информацию (результаты измерения) от измерительных устройств, например цифровых измерительных приборов, и функционирующие без участия человека. В работе таких устройств нет элемента познания, следовательно, по определению, нет измерения. Получается парадокс, который привел к далеко идущим последствиям. Измерительные преобразователи, вырабатывающие измерительную информацию и имеющие метрологические характеристики, не приспособлены для передачи этой информации человеку (по старому определению, они не выполняют измерений – нет познавательного процесса). Эти устройства выпадали из сферы деятельности метрологического надзора, что было чревато потерей единства измерений в широкой

8

области технических приложений. Тогда же в журнале «Измерительная техника» была развернута всесоюзная дискуссия о принятии нового определения понятия «измерение». Как следует из изложенного, эта дискуссия носила не только теоретическое, но и сугубо прикладное значение. Какие технические устройства следует относить к средствам измерений и подвергать метрологическому надзору, а какие нет. В результате было принято определение понятия «измерение», сформулированное в Федеральном законе от 26.06.2008 № 102-Ф3 «Об обеспечении единства измерений»:

«Статья 2. Основные понятия … 8) измерение – совокупность операций, выполняемых для определения количественного значения величины…».

В соответствии с действующей терминологией [5]:

«4.1 измерение (величины): Процесс экспериментального получения одного или более значений величины, которые могут быть обосновано приписаны величине».

В соответствии с международной терминологией [6]:

«2.1 (2.1) measurement process of experimentally obtaining one or more quantity values that can reasonably be attributed to a quantity».

Ясно, что текст из [5] есть дословный перевод текста [6]. Слово «измерение» просто подменили словом «получение», совершенно непонятно, как у величины может быть «более» одного значения, причем они должны быть еще и «приписаны». Как это понять? Цитированное выше определение из Закона несравненно лучше.

Определения из [5, 6] не раскрывают самого главного – сущности «процесса экспериментального получения», т.е. измерения. Правильнее и понятнее было бы исправить классическое определение, изъяв из него слово «познавательный». Получилось бы: «Измерением мы называем процесс, заключающийся в сравнении путем физического эксперимента данной величины с некоторым ее значением, принятым за единицу сравнения». Коротко, физически бесспорно, и всем понятно, о чем идет речь. В соответствии с этим определением мы будем рассматривать все вопросы, связанные с измерением. Необходимо отметить, что оно совсем не противоречит приведенному выше официальному определению.

9

Целью измерения является определение числового значения Y измеряемой величины X в соответствующих единицах измерения M, согласно с основным уравнением измерения [2, 3]

В отечественной метрологической практике к результатам измерений предъявляются основополагающие требования по обеспечению единства измерения (ОЕИ).

Концепция единства измерений базируется на трех исходных понятиях:

истинное значение измеряемой величины;

погрешность измерения;

единицы величин, допущенные к применению в Российской Федерации.

Единство измерений создает предпосылки для корректного решения широкого круга технических задач, таких, как испытания продукции и контроль ее качества.

Обеспечение единства измерений представляет собой деятельность, направленную на установление и применение научных, правовых, организационных и технических основ, правил, норм и средств, необходимых для достижения заданного уровня единства измерений.

Система управления всеми видами деятельности по ОЕИ осуществляется государством и называется Государственной системой

к измерениям, единицам величин, эталонам единиц величин, стандартным образцам, средствам измерений, применении стандартных образцов, средств измерений, методик (методов) измерений, а также при осуществлении деятельности по ОЕИ, предусмотренной законодательством Российской Федерации об обеспечении единства измерений, в том числе при выполнении работ и оказании услуг по обеспечению

10