Метрологические основы поверки и калибровки. Учебное пособие

Критерии отнесения технических средств к СИ:

техническое средство, представляющее собой механическое, электрическое, оптическое, электронное или работающее на каком-либо ином принципе техническое устройство, предназначено для выполнения измерений;

измерения, которые выполняются рассматриваемым техническим средством, характеризуются показателями точности измерений [16].

Поверка технических средств, отнесенных к СИ – это совокупность операций, выполняемых в целях подтверждения соответствия СИ метрологическим требованиям [16].

СИ, предназначенные для применения в сфере ГРОЕИ, до ввода в эксплуатацию и после ремонта подлежат первичной поверке, а в процессе эксплуатации – периодической поверке. Владельцы этой категории СИ обязаны своевременно представлять их на поверку. Поверку осуществляют аккредитованные в установленном порядке в области ОЕИ юридические лица или индивидуальные предприниматели. Правительством РФ устанавливается перечень СИ, поверка которых осуществляется только аккредитованными в установленном порядке в области ОЕИ государственными региональными центрами метрологии.

СИ, не предназначенные для применения в сфере ГРОЕИ, могут подвергаться поверке в добровольном порядке.

Одной из важных форм ГРОЕИ является государственный метрологический надзор. Государственный метрологический надзор – это контрольная деятельность в сфере ГРОЕИ, осуществляемая уполномоченными федеральными органами исполнительной власти и заключающаяся в систематической проверке соблюдения установленных законодательством РФ обязательных требований, а также в применении установленных законодательством РФ мер за нарушения, выявленные во время надзорных действий [4].

Государственный метрологический надзор осуществляется:

за соблюдением обязательных требований в сфере ГРОЕИ к измерениям, единицам величин, к эталонам, стандартным образцам, СИ при их выпуске из производства, ввозе на территорию РФ, продаже

иприменении на территории РФ;

за наличием и соблюдением аттестованных методик измерений;

21

за соблюдением обязательных требований к отклонениям количества фасованных товаров в упаковках от заявленного значения.

Юридические лица и индивидуальные предприниматели, осуществляющие перечисленные виды деятельности, обязаны уведомлять об этом федеральный орган исполнительной власти не позднее трех месяцев со дня осуществления деятельности.

Государственный метрологический надзор и проведение проверок возлагаются на должностных лиц федеральных органов исполнительной власти и их территориальных органов.

Сотрудники, осуществляющие метрологический надзор (поверки), имеют широкие полномочия вплоть до запрещения выпуска из производства, ввоза на территорию РФ и продажи СИ, предназначенных для применения в сфере ГРОЕИ. Они имеют право наносить на СИ знак непригодности в случаях, когда они не соответствует обязательным требованиям.

1.4. Калибровка средств измерений

СИ, не предназначенные для применения в сфере ГРОЕИ, могут в добровольном порядке подвергаться калибровке.

Калибровка СИ – это совокупность операций, выполняемых в целях определения действительных значений метрологических характеристик СИ [4].

Калибровка СИ выполняется с использованием эталонов единиц величин, прослеживаемых к государственным первичным эталонам соответствующих единиц величин, а также, при отсутствии таковых, – к национальным эталонам единиц величин иностранных государств.

Юридические лица и индивидуальные предприниматели, выполняющие калибровку СИ в добровольном порядке, могут быть аккредитованы в области ОЕИ. Результаты калибровки СИ, выполненной аккредитованными в установленном порядке юридическими лицами или индивидуальными предпринимателями, могут быть использованы при поверке СИ в порядке, установленном федеральным органом исполнительной власти.

Степень доверия к СИ, не подлежащим обязательной поверке, определяется степенью доверия к компетентности организации, проводившей калибровку, т.е. к калибровочной лаборатории. Поскольку

22

калибровка является добровольной процедурой, сами предприятия должны определить факт необходимости проведения калибровки своих СИ, номенклатуру СИ, подлежащих калибровке, и перечень метрологических характеристик калибруемых СИ.

Результат калибровки [4] – это определение действительных значений метрологических характеристик СИ.

Владелец СИ не требует у исполнителя метрологической работы вывода о соответствии СИ метрологическим требованиям. Владельца СИ интересуют действительные значения метрологических характеристик СИ. Этой информацией в виде протокола калибровки владелец СИ может воспользоваться по своему усмотрению. Если возможно, СИ может быть отремонтировано. В противном случае может быть поставлена задача обоснованного перевода СИ в другой класс точности при обязательном выполнении следующего условия: изменение метрологических характеристик СИ при переводе его в другой класс точности не должно нарушать требований к заданной погрешности измерения параметра, который измеряет данное СИ. Кроме того, применение процедуры перевода не подлежащего ремонту СИ в другой класс точности не нарушает порядка отнесения технических средств

кСИ [4].

1.5.Аккредитация в области обеспечения единства измерений

Аккредитация юридических лиц или индивидуальных предпринимателей на право проведения поверки СИ и выполнения других работ и оказания услуг в рамках форм ГРОЕИ [4] осуществляется на основе принципов:

добровольности (если СИ не выполняет задачи в рамках ГРОЕИ);

комплектности и независимости экспертов по аккредитации;

недоступности совмещения полномочий по аккредитации с выполнением работ и (или) оказанием услуг, входящих в перечень видов работ и услуг ГРОЕИ [1];

применения единых правил аккредитации, их открытости

идоступности;

обеспечения равных условий лицам, претендующим на аккредитацию, и недопустимости незаконного ограничения прав аккредитуемых на выполнение работ или оказание услуг.

23

Аккредитация юридических лиц и индивидуальных предпринимателей на право поверки СИ допускается при положительных результатах поверки технической компетенции аккредитуемого подразделения. Техническая компетентность юридического лица или индивидуального предпринимателя, претендующего на право поверки СИ, определяется наличием:

персонала, аттестованного в установленном порядке в качестве поверителей;

помещений для проведения поверки, соответствующих по производственной площади, состоянию и условиям требованиям нормативных документов по поверке в аккредитуемой области, санитарным нормам и правилам, требованиям безопасности труда

иохраны окружающей среды;

эталонов, прослеживаемых к первичным государственным эталонам, и вспомогательного оборудования, необходимого для проведения поверки, определенной областью аккредитации;

соответствующей актуализированной нормативно-технической

документации (НД), регламентирующей методики поверки СИ в области аккредитации, эксплуатационной документации на эталоны

иповеряемые СИ;

графиков поверки, протоколов поверки, рабочих журналов, т.е. документов, определяющих систему хранения информации

ирезультатов поверки;

документации по системе обеспечения качества, соответствующей области аккредитации и объему выполняемых работ;

документации на элементы системы обеспечения качества, которая должна быть включена в «Руководство по качеству» или другой аналогичный по содержанию документ;

установленных правил приемки, хранения и возврата СИ, поступающих на поверку;

системы регистрации результатов поверки (протоколов, свидетельств о поверке и извещений о непригодности СИ);

финансовых документов, определяющих размер оплаты выполняемых работ или услуг по регулируемым ценам, установленным Правительством РФ;

формы договоров по оплате заинтересованными лицами поверки СИ, не входящих в систему ГРОЕИ.

24

Юридические лица и индивидуальные предприниматели, выполняющие калибровку СИ, могут быть аккредитованы на право проведения калибровочных работ в области ОЕИ.

Аккредитация метрологической службы юридического лица или индивидуального предпринимателя на право проведения калибровочных работ – это официальное признание аккредитующим органом исполнительной власти того, что юридическое лицо или индивидуальный предприниматель полномочен проводить калибровочные работы в области аккредитации и результаты калибровки могут быть использованы при поверке СИ в порядке, установленном федеральным органом исполнительной власти, осуществляющим функции по выработке государственной политики в области ОЕИ. К основным функциям аккредитования в установленном порядке подразделений на право проведения калибровочных работ относятся:

калибровка СИ в области аккредитации, в том числе для сторонних организаций;

обеспечение надлежащего состояния эталонов, прослеживаемых

к государственным первичным эталонам, и другого оборудования

ипомещений;

подготовка и переподготовка персонала;

корректировка интервалов между калибровками с учетом эксплуатационных свойств калибруемых СИ или условий эксплуатации;

проведение контроля состояния СИ с целью исключения возможности эксплуатации неисправных СИ;

получение от должностных лиц предприятия необходимой информации о наличии, состоянии и условиях эксплуатации СИ.

25

ЧАСТЬ 2. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПОВЕРКИ И КАЛИБРОВКИ СРЕДСТВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

2.1. Измерение, погрешность (неопределенность) измерения

По определению измерение – физический эксперимент, выполняемый с помощью некоторых технических устройств – средств измере-

X измеряемой величины, которая всегда отличается от размера измеряемой величины X. Это отличие называют «погрешностью результата измерения»

В практике электрических измерений за значение X принимают соответствующий параметр математической модели объекта измерения. Из (2.1) следует, что погрешность имеет ту же размерность, что и измеряемая величина. Принято называть погрешность, выраженную по (2.1) в единицах измеряемой величины, абсолютной погрешностью. Абсолютная погрешность может быть положительной или отрицательной в зависимости от знака разности (2.1). Нельзя путать понятия абсолютной погрешности и абсолютного значения погрешности, абсолютное значение погрешности (модуль разности (2.1)) может быть только положительным.

Значение измеряемой величины X нам не известно, в противном случае не нужно было бы измерять. Погрешность измерения, строго говоря, не может быть рассчитана по (2.1). Поэтому в последнее время принято вместо термина «погрешность измерения» пользоваться термином «неопределенность результата измерения». Под неопределенностью результата измерения понимают [5]:

«5.34 неопределенность (измерений): Неотрицательный пара-

метр, характеризующий рассеяние значений величины, приписываемых измеряемой величине на основании измерительной информации».

Это почти дословный (не вполне точный!) перевод определения из [6]:

26

«2.26 measurement uncertainty: uncertainty of measurement uncertainty non-negative parameter characterizing the dispersion of the quantity values being attributed to a measurand, based on the information used».

Если говорить по-русски, то «неопределенность – это интервал, вокруг результата измерений, в котором находится значение измеряемой величины». Под погрешностью измерений понимался интервал вокруг значения измеряемой величины, в котором находится результат измерения. Количественно это один и тот же интервал.

В цитированном п. 2.26 из [6], в отличие от [5], имеется очень важное примечание:

«NOTE 3 Measurement uncertainty comprises, in general, many components. Some of these may be evaluated by Type A evaluation of measurement uncertainty from the statistical distribution of the quantity values from series of measurements and can be characterized by standard deviations. The other components, which may be evaluated by Type B evaluation of measurement uncertainty, can also be characterized by standard deviations, evaluated from probability density functions based on experience or other information».

Дословный перевод:

«Примечание 3. Неопределенность измерений, в общем случае, включает в себя много составляющих. Некоторые из них могут вычис-

ляться по Типу А вычисления неопределенности из статистического распределения величины в серии измерений и могут быть охарактеризованы стандартным отклонением. Другие составляющие могут быть вычислены по Tипу B вычисления неопределенности из функции плотности вероятности, основанной на эксперименте или на другой информации, и могут быть также охарактеризованы стандартным отклонением».

Под стандартным отклонением понимают среднее квадратическое отклонение величины от математического ожидания. Это примечание очень важно для понимания текста [5], так как в этом документе нигде не определено, что такое неопределенность по типам А и В.

Дальнейшее рассмотрение вопросов о неопределенности (погрешности) измерений на современном уровне невозможно без предвари-

27

тельного изучения основ математической теории вероятности [17] в соответствии с материалом Приложения.

Главными признаками измерения являются: наличие реально существующего объекта измерения; необходимость проведения экспе-

величины, выраженное в установленных единицах измерения. Иными словами – результат измерения есть число с указанием единицы величины.

Составляющими погрешности однократного измерения – «бюджетом неопределенности» – являются:

погрешность СИ;

погрешность метода измерения, включая вносимые программами вычислений;

погрешности, обусловленные психофизиологическими особенностями оператора.

Такое разделение определяется причинами возникновения составляющих погрешности (неопределенности) результата измерения.

Методическая погрешность результата измерения обусловлена различием алгоритмов измерений и математической модели измеряемой величины, т.е. неадекватностью модели объекта измерения собственно объекту. Ни одна модель не может быть полностью адекватна моделируемому объекту [18]

Методическая погрешность может быть уменьшена переходом на другую модель, более близкую к объекту измерения, и другой алгоритм измерений, т.е. другие способы и принципы применения СИ. Таким образом, методическая погрешность не зависит от качества СИ, а зависит от того, как применяются СИ. Методические погрешности определяются только расчетным аналитическим путем.

Инструментальная составляющая погрешности результата измерения обусловлена свойствами применяемых СИ и других вспомогательных устройств, например источников питания схемы измерений.

Погрешность оператора обусловлена субъективными особенностями человека, принимающего участие в измерении, его квалификацией, т.е. уровнем знаний, умений и навыков. Ошибки оператора могут возникать не только при отсчитывании показаний СИ, но и при

28

обработке результатов измерений, использовании правил округления, документировании. Применение цифровых СИ, автоматизация измерений и автоматизации документирования результатов измерений часто позволяют исключить погрешность оператора из результата измерения.

Погрешности СИ, метода и оператора могут состоять из систематических, неисключенных систематических и случайных погрешностей.

Систематические погрешности, постоянные или изменяющиеся по определенным законам, могут быть исключены из результатов измерений экспериментальным или расчетным методами.

Случайные погрешности результата измерения обусловлены, как правило, случайными погрешностями поверяемых СИ или случайными изменениями влияющих факторов.

Случайные погрешности могут быть описаны одним из двух способов:

29

2.2. Погрешности средств измерений. Нормируемые метрологические характеристики средств электрических измерений

Из определения понятия «измерение» следует, что при его выполнении используются технические устройства – средства

из технических характеристик СИ, в отличие от погрешности результата измерения, описанной выше.

С целью исключения понятия об «истинном значении» из определения понятия о погрешности СИ можно представить любое СИ (меру, измерительный прибор или измерительный преобразователь) в виде четырехполюсника, на входе которого имеется измеряемая величина X или носитель информации о значении измеряемой величины, а на выходе – носитель информации Y о значении измеряемой величины.

Понятие носителя информации о значении измеряемой величины пришло в метрологию из неудачной попытки создания «информационной теории измерений» [19]. Оно оказалось очень плодотворным в метрологии, особенно с внедрением понятий об информационноизмерительных системах и измерительных-вычислительных комплексах [20], широким распространением преобразователей величин в унифицированный сигнал [21] и современных «микропроцессорных» цифровых измерительных устройств [22].

Носитель информации о значении измеряемой величины –

физический феномен, уровень и/или изменения которого служат сигналом о значении (размере) измеряемой величины, выраженном в оговоренных единицах измерения. Например, это отклонение указателя показывающего измерительного прибора, отсчет (цифра – код) по цифровому табло цифрового измерительного прибора, и т.п.

Использование этого понятия позволяет принять за математическую модель любого СИ, в том числе и мер, четырехполюсник

(преобразователь), имеющий номинальную прямую функцию преобразования [19, 23], иначе – номинальную зависимость носителя информации на выходе СИ от значения измеряемой величины или носителя информации на его входе:

30