Основы метрологии, стандартизации и сертификации в легкой промышленности. Учебное пособие

собой отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины.

Погрешность результата каждого конкретного измерения складывается из многих составляющих, обязанных своим происхождением различным факторам и источникам.

Истинное значение физической величины Хи – это значение, идеальным образом отражающее свойства данного объекта в количественном и качественном отношении, не зависит от средства измерений и является абсолютной истиной, к которой должны стремиться при проведении измерений, пытаясь выразить ее в виде числовых значений.

Результат измерения является продуктом нашего познания, представляя собой приближенные оценки значений физической величины, найденные путем измерений. Он зависит от выбранных методов и используемых средств измерений, от квалификации оператора, проводящего измерения и т.п.

Действительное значение физической величины Хд – это значение, найденное экспериментально и настолько близкое к истинному, что при данных условиях может быть использовано вместо него.

Классификация погрешностей

Принято различать погрешность результатов измерений и погрешность средств измерений. Например, погрешность измерений в результате статистической обработки данных многократных наблюдений может оказаться существенно меньше, чем погрешности используемых при этом средств измерений.

Для повышения точности измерений производят многократные измерения с последующей математической обработкой полученных результатов.

По способу выражения значений различают: абсолютные, относительные и приведенные погрешности измерений.

Абсолютная погрешность ∆Х выражается в единицах измеряемой величины х и равна разности между измеренным и истинным значениями (так как истинное значение практически всегда бывает неизвестно, то вместо него может использоваться действительное значение):

21

например ∆х = 0,5 мм при х = 100 мм соответствует достаточно высокой точности измерений, а при х = 1 мм – низкой. Поэтому и вводится понятие относительной погрешности.

Относительная погрешность δx представляет собой отношение абсолютной погрешности измерения к истинному (действительному, измеренному) значению и часто выражается в процентах:

Эти формулы справедливы при условии, что ∆Х <<Х, Хд , Хи Эта наглядная характеристика точности результата измерения

не годится для нормирования погрешности средства измерения, так как при изменении значений хи принимает различные значения вплоть до бесконечности при Хи = 0. В связи с этим для указания и нормирования погрешностей средств измерений используется еще одна разновидность погрешности – приведенная.

Приведенная погрешность γx представляет собой отношение абсолютной погрешности средства измерения к так называемому нормирующему значению xN (постоянному во всем диапазоне измерений или его части), обычно выражается в процентах:

Нормирующее значение xN определяется различным образом в зависимости от шкалы прибора.

По характеру проявления погрешности измерений делятся на систематические, случайные и грубые (промахи).

Систематическая погрешность – составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или закономерно меняющаяся при повторных измерениях одной и той же физической величины.

Систематические погрешности подразделяются на постоянные и переменные.

Переменные могут быть:

-прогрессирующими;

-периодическими;

-изменяющимися по сложному закону.

Закономерный характер систематической погрешности открывает возможности ее предсказания, обнаружения и, благодаря этому, в значительной степени уменьшения.

22

Однако сложную задачу может представлять собой само обнаружение систематической погрешности.

Случайная погрешность – составляющая погрешности измерения, изменяющаяся случайным образом (по знаку и величине) в серии повторных измерений одного и того же размера физической величины, проведенных с одинаковой тщательностью в одних и тех же условиях.

Случайная погрешность не может быть исключена из результата измерений, но может быть уменьшена статистической обработкой совокупности наблюдений.

Грубая погрешность (промах) – это случайная погрешность результата отдельного наблюдения, входящего в ряд измерений, которая для данных условий резко отличается от остальных результатов этого ряда.

Они, как правило, возникают из-за ошибок или неправильных действий оператора. Возможной причиной возникновения промахов также могут быть кратковременные резкие изменения условий проведения измерений.

Грубые погрешности выявляются при статистической обработке ряда наблюдений, и соответствующие результаты наблюдений должны быть исключены из рассмотрения.

Погрешности измерений классифицируют по источнику возникновения и делят на:

-инструментальные;

-методические;

-субъективные (личные) погрешности.

Инструментальная погрешность измерения – погрешность из-

за несовершенства средств измерений. Иногда эту погрешность называют аппаратурной.

Методическая погрешность – погрешность измерения, происходящая от несовершенства метода измерений. Она может возникать из-за принципиальных недостатков используемого метода; из-за неполноты знаний о происходящих при измерении процессах или из-за неточности применяемых расчётных формул.

Субъективная, или личная, погрешность обусловлена индивидуальными особенностями лица, выполняющего измерения.

Автоматизация средств измерений и совершенствование конструкций приводят к уменьшению субъективной погрешности.

По условиям возникновения погрешности у средств измерения различают основную и дополнительную погрешности.

23

Каждое средство измерений предназначено для работы в определенных условиях, указываемых в нормативно-технической документации. Условия измерения – совокупность влияющих величин, описывающих состояние окружающей среды и средства измерений. Влияющая величина – это физическая величина, не измеряемая данным средством измерений, но оказывающая влияние на его результаты.

Основная погрешность средства измерений – погрешность в условиях, принятых за нормальные, т.е. при нормальных значениях всех величин, влияющих на результат измерения (температура, влажность, напряжение питания и т.п.).

Дополнительная погрешность – погрешность, возникающая при отличии значений влияющих величин от нормальных. Обычно различают отдельные составляющие дополнительной погрешности (температурную, погрешность из-за изменения напряжения питания и т.п.).

Выделяют статические и динамические составляющие погрешности средств измерения.

Статическая погрешность – это погрешность средства измерения, применяемого для измерения физической величины, которая принимается неизменной.

Динамической называется погрешность средства измерений, возникающая дополнительно при измерении переменной физической величины и обусловленная несоответствием его реакции на скорость (частоту) изменения измеряемого сигнала.

У средств измерений часто можно выделить составляющие погрешности, не зависящие от значения измеряемой величины и погрешности и изменяющиеся пропорционально измеряемой величине.

Такие составляющие называют, соответственно, аддитивными и мультипликативными погрешностями.

Аддитивная погрешность (абсолютная) не зависит от значения измеряемой величины и постоянна в каждой точке шкалы, а мультипликативной называется погрешность, линейно возрастающая или убывающая с ростом измеряемой величины и пропорциональная значению измеряемой величины.

Различать аддитивные и мультипликативные погрешности можно по полосе погрешностей (рис. 1.1).

24

Неизменность – свойство эталона удерживать неизменным размер воспроизводимости единицы физической величины в течение длительного интервала времени.

Воспроизводимость – возможность воспроизведения единицы физической величины с наименьшей погрешностью для достигнутого уровня развития техники измерений.

Сличаемость – возможность обеспечения сличения с эталоном других средств измерений, нижестоящих по поверочной схеме, с наибольшей точностью для достигнутого уровня развития техники измерений.

В определение эталона входят понятия: воспроизведение, хранение, передача.

Воспроизведение единицы физической величины – совокупность операций по материализации единицы физической величины с помощью государственного первичного эталона. Различают воспроизведение основных и производных единиц.

Передача размера единиц – приведение размера единицы физической величины, хранимой поверяемым средством измерений, к размеру единицы, воспроизводимой или хранимой эталоном, осуществляемое при их поверке (калибровке). Размер единицы передается «сверху вниз».

Хранение единиц – совокупность операций, обеспечивающих неизменность во времени размера единицы, присущего данному средству измерений.

1.7.2 Виды эталонов

Различают несколько видов эталонов.

Первичный эталон – 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.

Государственный первичный эталон – государственный эталон единицы физической величины, обеспечивающий воспроизведение, хранение и передачу единицы физической величины с наивысшей в РФ точностью, утверждаемый в этом качестве в установленном порядке и применяемый в качестве исходного на территории РФ.

Международные первичные эталоны принимаются по международному соглашению в качестве международной основы для согласо-

26

вания с ними размеров единиц, воспроизводимых и хранимых национальными эталонами.

Первичному эталону соподчинены вторичные и рабочие эталоны.

Вторичные эталоны получают размер единицы путем сличения с первичными эталонами рассматриваемой единицы.

Рабочие эталоны воспринимают размер единицы от вторичных эталонов и, в свою очередь, служат для передачи размера менее точному рабочему эталону и рабочим средствам измерений. Рабочие эталоны подразделяют на разряды (1-й, 2-й, 3-й, …).

Эталоны сравнения – эталоны, применяемые для сличения эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличены друг с другом.

Эталоны в обычных измерениях не используются.

1.7.3 Поверочные схемы

Поверка средств измерений (поверка) – установление органом государственной метрологической службы (или другим официально уполномоченным органом, организацией) пригодности средства измерений к применению на основании экспериментально определяемых метрологических характеристик и подтверждения их соответствия установленным обязательным требованиям.

Поверке подвергают средства измерений, подлежащие государственному метрологическому контролю и надзору.

При поверке используют рабочий эталон. Поверку проводят в соответствии с обязательными требованиями, установленными нормативными документами по поверке.

Существуют следующие виды поверок.

Первичная – поверка, выполняемая при выпуске средства измерений из производства или после ремонта, а также при ввозе средств измерений из-за границы партиями, при продаже.

Периодическая – поверка средств измерений, находящихся в эксплуатации или на хранении, выполняемая через установленные межповерочные интервалы времени (обычно 1, 2 или 0,5 года).

Внеочередная – поверка средств измерений, проводимая до наступления срока его очередной периодической поверки. Необходимость внеочередной поверки может возникнуть из-за ухудшения метрологических свойств средств измерений или подозрения в этом, нарушения условий эксплуатации и др.

27

Выборочная – поверка группы средств измерений, отобранных из партии случайным образом, по результатам которой судят о пригодности к эксплуатации всей партии.

Инспекционная – поверка средств измерений, проводимая органом Государственной метрологической службы при проведении государственного надзора за состоянием и применением средств измерений.

Обеспечение правильной передачи размера единиц физических величин (и, как следствие, обеспечение единства измерений) во всех звеньях метрологической цепи осуществляется посредством поверочных схем (рис. 1.2).

Рисунок 1.2. Передача размера единицы величины

Поверочная схема – это нормативный документ, который устанавливает соподчинение средств измерений, участвующих в передаче размера единицы от эталона к рабочим средствам измерений (с указанием методов и погрешности при передаче). Различают государственные и локальные поверочные схемы.

Государственная поверочная схема распространяется на все средства измерений данной физической величины, имеющиеся в России. Локальная поверочная схема распространяется на средства измерения данной физической величины, применяемые в регионе, области, ведомстве или на отдельном предприятии.

28

Главное отличие рабочих эталонов от рабочих средств измерений заключается в том, что рабочие эталоны используются для передачи размера единиц измерений (т.е. для поверки или калибровки приборов), а рабочие средства измерений используются непосредственно в обычных измерениях.

1.7.4 Классы точности средств измерений

Класс точности – это обобщенная характеристика средства измерений, выражаемая пределами допускаемых значений его основной и дополнительной погрешностей, а также другими характеристиками, влияющими на точность. Класс точности не является непосредственной оценкой точности измерений, выполняемых этим средством измерений, поскольку погрешность зависит еще от ряда факторов: метода измерений, условий измерений и т.д. Класс точности лишь позволяет судить о том, в каких пределах находится погрешность средства измерений данного типа.

Государственными стандартами для разных приборов установлены различные классы точности, которые обычно указывают на шкале или корпусе прибора. Средство измерений может иметь два и более класса точности.

1.8 Государственная система обеспечения единства измерений

В настоящее время создана система законодательного управления метрологической деятельностью на базе Конституции РФ, закона «Об обеспечении единства измерений», а также ряда нормативных актов по обеспечению единства измерений.

1.8.1 Закон «Об обеспечении единства измерений»

В общем виде законодательные основы метрологии закрепляет ст. 71 Конституции РФ, а основные принципы метрологической деятельности определяет закон «Об обеспечении единства измерений», который впервые был принят в 1993 г. В июне 2008 г. был принят новый вариант этого закона. Закон направлен на защиту прав и законных интересов граждан и определяет основные положения в области обеспечения единства измерений и одновременно создает законодательную базу для образования необходимых подзаконных актов.

29

1.8.2 Государственная метрологическая служба

Работы по обеспечению единства измерений в России осуществляются на основе Федерального закона от 26 июня 2008 г. № 102-ФЗ «Об обеспечении единства измерений» (с изменениями и дополнениями от 18 июля, 30 ноября 2011 г., 28 июля 2012 г.).

Нормативная база Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ) – комплекс нормативных документов, включающих в себя государственные стандарты и другие нормативные документы, определяющие порядок передачи размера единиц величин на всю территорию России и порядок проведения испытаний, поверки и калибровки средств измерений.

Технической основой ГСИ является государственная эталонная база России. В составе эталонной базы России 164 государственных первичных эталона.

В ведении Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии находится Государственная метрологическая служба, которая включает государственные научные метрологические центры, метрологические научно-исследовательские институты (метрологические научно – исследовательские институты) и органы Государственной метрологической службы на территориях субъектов РФ (Центры стандартизации, метрологии и сертификации).

Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии осуществляет руководство:

•Государственной службой времени и частоты и определения параметров вращения Земли (ГСВЧ);

•Государственной службой стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов (ГССО);

•Государственной службой стандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществ и материалов (ГСССД).

•Межлабораторными сравнительными испытаниями (МСИ);

•Координационным советом по прослеживаемости в химии. Федеральное агентство по техническому регулированию и мет-

рологии осуществляет государственный метрологический контроль и надзор.

Государственный метрологический контроль включает:

•утверждение типа средств измерений;

•поверку средств измерений;

•лицензирование деятельности юридических и физических лиц по изготовлению, ремонту, продаже и прокату средств измерений.

30