Управление качеством. Менеджмент качества. Ответы на экзаменационные вопросы

Тема 8

МЕТРОЛОГИЯ В УПРАВЛЕНИИ КАЧЕСТВОМ

8.1.Общие сведения о метрологии.

8.2.Средства измерений. Виды средств измерений.

8.3.Организационно-правовые основы метрологической деятельности.

8.4.Обеспечение единства измерений в системе менеджмента качества.

8.5.Международные организации по метрологии.

8.1. Общие сведения о метрологии

Рассматривая квалиметрические проблемы оценки качества продукции, мы отмечали, что «жесткие» параметры качества, которые могут быть рассчитаны, как правило, определяются в процессе измерений. Сегодня практически нет ни одной области человеческой деятельности, где все более интенсивно не использовались бы результаты измерений. Так, например, в бывшем СССР эксплуатировалось более 800 млн средств измерений. Для любой стадии управления (а это основное содержание труда менеджера) – анализа, прогнозирования, планирования, контроля, регулирования – огромное значение имеет достоверная информация о качественном состоянии объектов (процессов, условий, товаров, средств проектирования, производства и контроля и т. д.).

Какправило, такаяинформацияможетбытьполученатолько путем правильно проведенных измерений. Развитие естественных наук, научные достижения, технические новинки сегодня также немыслимы без измерений, что определяет современное значение метрологии.

Сущность и основные понятия метрологии

Метрология – это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Термин «метрология» происходит от греческих слов «метро» – мера и «логос» – учение, т. е. метрология – учение об измерениях. Современная метрология включает три составляющие: теоретическую (фундаментальную), прикладную (практическую) и законодательную метрологию.

131

Содержанием фундаментальной и практической метроло-

гии являются:

а) общая теория измерений; б) определение физических величин объектов (физических

систем, процессов и др.); в) образование единиц физических величин и их систем;

г) методы и средства измерений физических величин; д) методы определения точности измерений (теория пог-

решностей измерений); е) основы обеспечения единства измерений, единообразия

средств измерений (законодательная метрология); ж) создание эталонов и образцовых средств измерений;

з) методы передачи размеров единиц от эталонов образцовым и далее – рабочим средствам измерений.

В метрологии, как и в физике, физическая величина трактуется как свойство физического объекта (системы), общее в качественном отношении многим объектам, но в количественном отношении – индивидуальное для каждого объекта. Каждый объект обладает определенной длиной, массой и т. д., для него понятие величины становится конкретным. Измерять можно только конкретные величины.

На рис. 16 приведен фрагмент процесса измерений, наглядно показывающий взаимосвязь между данными понятиями.

132

Для достижения единства измерений (независимо от времени, местаисредствизмерений) должнапроизводитьсяправильная градуировка и периодическая проверка всех применяемых средств измерений. Для этого необходимы эталоны единиц и пары образцовых средств измерений. Метрология изучает способы воспроизведения единиц с помощью эталонов и пути повышения их точности, а также методы передачи размеров единиц (методы поверки).

Одна из главных задач метрологии – обеспечение единства измерений физических величин – может быть решена при соблюдении двух основополагающих условий:

выражение результатов измерений в единых узаконенных единицах;

установлениедопустимыхошибок(погрешностей) результатов измерений, за которые они не должны выходить при заданной вероятности.

На рис. 17 дана схема понятия «Обеспечение единства из-

мерений».

Обеспечение единства измерений

Рис. 17. Раскрытие понятия «обеспечение единства измерений»

133

Обеспечение единства измерений – это установление и применение научных, нормативно-технических и организационных основ, технических средств, правил и норм в целях достижения единства и требуемой точности (достоверности) измерений качества, необходимых для количественной оценки объектов ноосферы и происходящих в них явлений. Точность измерений характеризует степень приближения погрешности измерений к нулю, т. е. к истинному значению измеряемой величины. Главная цель такого обеспечения – достижение высокого качества измерений. Качество измерений оценивается двумя основными показателями: точностью измерений и единством измерений.

Для нахождения погрешностей измерений широко используется аппарат теории вероятностей и математической статистики. Обобщает все изложенные положения современное определениепонятия«единствоизмерений» – состояниеизмерений, при котором их результаты выражены в указанных единицах, а погрешности известны с заданной вероятностью и не выходят за установленные пределы.

Мероприятия по реальному обеспечению единства измерения в большинстве стран мира устанавливаются законами и входят в функции законодательной метрологии. Для проведения в жизнь этих мероприятий организуются метрологические службы.

Виды измерений физических величин

Измерение– этонахождениезначенияфизическойвеличины опытным путем с помощью специальных технических средств. Измерения классифицируются по:

способу получения информации;

характеру изменений величины в процессе ее измерений;

количеству измерительной информации;

отношению к основным единицам измерения.

По способу получения информации измерения подразделяют на прямые, косвенные, совокупные и совместные.

По характеру изменений измеряемой величины в процессе измерений выделяют статистические, динамические и статические измерения.

Поколичествуизмерительнойинформацииразличаютодно-

кратные и многократные измерения.

134

По отношению к основным единицам измерения выделяют абсолютные и относительные измерения.

Принцип измерений – физическое явление или эффект, положенные в основу измерений (например, применение эффекта Допплера для измерения скорости – имеет место при любом волновом процессе распространения энергии; использование силы тяжести при изменении массы взвешиванием).

Метод измерений – это прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствиисреализованнымпринципомизмерений(методизмерений обычно обусловлен устройством средств измерений).

Различают следующие методы измерений:

методы непосредственной оценки измерений (значение величины определяют непосредственно по показывающему средству измерений);

методы сравнения с мерой (измеряемые величины сравниваются с величинами, которые воспроизводят меру);

нулевой метод измерений (результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводят до нуля);

метод измерений замещением (измеряемую величину заменяют мерой с известным значением величины);

метод измерений с дополнением (значение измеряемой величины дополняется мерой этой же величины с таким расчетом, чтобы на прибор сравнения воздействовала их сумма, равная заранее задуманному значению);

дифференциальный метод измерений (измеряемая величина сравнивается с однородной величиной, имеющей известное значение, незначительно отличающееся от значения измеряемой величины, когда измеряется разность между этими двумя величинами);

контактный метод измерений (измерение диаметра вала измерительной скобой или проходным и непроходным калибром);

бесконтактный метод измерений (элемент средства измерений не приводится в контакт с объектом измерения (например, измерение температуры в печи).

Методика выполнения измерений – это установленная сово-

купность операций и правил при измерении.

Физические величины как объекты измерений

Физическая величина – это одно из свойств физического объекта, общее в качественном отношении для многих физи-

135

ческих объектов, но индивидуальное в количественном отношении для каждого из них.

Измеряемая физическая величина представляет собой коли-

чественную физическую величину, подлежащую измерению, измеряемую или измеренную в соответствии с основной целью измерительной задачи.

Система единиц физических величин – это совокупность ос-

новных и производных физических величин, образованная в соответствииспринятымипринципами, когдаоднивеличиныпринимаются за независимые, а другие являются их функциями.

Основной называется физическая величина, входящая в систему величин и условно принятая в качестве независимой от других величин этой системы.

Производной называется физическая величина, входящая в системуиопределяемая черезосновныевеличиныэтойсистемы.

Основные величины независимы друг от друга, но они могут служить основой для установления связей с другими физическими величинами, которые называются производными от них. Например, в формулу Эйнштейна входит основная единица– массаипроизводнаяединица– энергия. Основнымвеличинам соответствуют основные единицы измерений, а производным – производные.

Каждая физическая величина имеет определенную размерность – выражение в форме степенного одночлена, составленного из произведений символов основных физических величин в различных степенях, отражающее связь данной физической величины с физическими величинами, принятыми в данной системе величин за основные, и с коэффициентом пропорциональности равным единице.

Международная система единиц физических величин

Понятие системы единиц как совокупности основных и производных впервые предложено немецким ученым К. Гауссом (1832). В качестве основных в этой системе были приняты миллиметр (единица длины), миллиграмм (единица массы), секунда (единица времени). Данную систему единиц называют абсолютной.

В 1881 г. принимается система единиц физических величин, основными единицами которой были сантиметр, грамм, секунда. Производными единицами системы считались килограммсила (единица силы) и эрг (единица работы). Неудобство дан-

136

ной системы состояло в трудностях пересчета многих единиц в другие системы для определения их соотношения.

В начале XX в. итальянский ученый Дж. Джорджи предложил еще одну систему единиц, получившую название МКСА (в русской транскрипции) и довольно широко распространившуюсяповсемумиру. Основныеединицыэтойсистемы– метр, килограмм, секунда, ампер (единица силы тока); производные – ньютон (единица силы), джоуль (единица энергии), ватт (единица мощности).

Периодически выдвигались и другие предложения, что указывает на стремление к единству измерений в международном аспекте. В то же время даже сейчас некоторые страны не отошли от исторически сложившихся у них единиц измерений. Известно, что Великобритания, США, Канада и ряд других стран основной единицей массы считают фунт.

На Генеральной конференции по мерам и весам (ГКМВ) в 1954 г. определены шесть основных единиц физических величин для использования в международных отношениях: метр, килограмм, секунда, ампер, градус Кельвина и свеча. На XI Генеральной конференции по мерам и весам в 1960 г. утверждена Международная система единиц, обозначаемая SI (от началь-

ныхбуквфранцузскогоназванияSysteme International d’Unites),

на русском языке – СИ. В последующие годы на ГКМВ принят ряд дополнений и изменений, в результате чего в системе СИ (публикуемой на обложках отечественных ученических тетрадей) стало семь основных единиц, дополненных производными единицами.

8.2. Средства измерений. Виды средств измерений

Для практического измерения единиц физических величин применяются технические средства, которые имеют нормированные погрешности и называются средствами измерений. К ним относятся меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки и системы, измерительные принадлежности.

По метрологическому назначению все средства измерений делятся на два вида – рабочие средства измерений и эталоны.

Рабочие средства измерений предназначены для измерений, не связанных с передачей размера единицы другим средствам

137

измерений. Они применяются для определения параметров (характеристик) технических устройств, технологических процессов, окружающей среды и т. д. Рабочие средства могут быть лабораторными (для исследований), производственными (для контроля технологических процессов), полевыми (для самолетов, автомобилей, судов и т. п.). Лабораторные средства измерений – самые точные и чувствительные, их показатели отличаются высокой стабильностью. Производственные средства обладают устойчивостью к воздействиям различных факторов производственных процессов: температуры, влажности, вибрации и т. п. Полевые средства измерений работают в условиях, постоянно изменяющихся в широких пределах в результате внешних воздействий.

Все средства измерений подразделяются на стандартизированные и нестандартизированные, автоматические и автоматизированные, узаконенные средства и измерительные цепи.

Погрешности измерений

Погрешность результатов измерения представляет собой отклонение результата измерения от истинного (действительного) значения измеряемой величины (рис. 18).

Рис. 18. Процесс оценки погрешности измерения

Погрешность измеряемой величины (∆Хизм) может быть определена по формуле:

± ∆Хизм = Хизм – Хд,

где Хизм – измеренное значение величины, Хд – действительное значение измеряемой величины.

Как правило, истинное (действительное) значение величины неизвестно. Оно применяется только в теоретических исследованиях.

138

Систематическая погрешность измерения представляет собой составляющую погрешность результата измерения, остающуюся постоянной или же закономерно изменяющуюся при повторных измерениях одной и той же физической величины.

В зависимости от характера изменения систематические погрешности подразделяются на постоянные, прогрессивные, периодические и изменяющиеся по сложному закону.

Погрешность результата однократного измерения (не входящего в ряд измерений) оценивается на основании известных погрешностей средства и метода измерений в данных условиях. Пусть еще до измерения размера детали известно, что погрешность микрометра в данном диапазоне составляет ±0,01 мм, а погрешность метода можно принять равной нулю. Следовательно, погрешность полученного результата будет равна ±0,01 мм.

Погрешности средств измерений

Погрешность средств измерений – это разность между по-

казанием средства измерений и истинным (действительным) значением измеряемой физической величины. Например, для меры показанием является ее номинальное значение.

Нормируемые метрологические характеристики типа средств измерений представляют собой совокупность метрологических характеристик данного типа средств измерений, устанавливаемую нормативно-техническими документами. В свою очередь, точностные характеристики средств измерений являются совокупностью метрологических характеристик средств измерений, влияющих на погрешность измерения. К таким характеристикам, как правило, относят погрешность средств измерений, нестабильность, порог чувствительности, дрейф нуля и др. На погрешность средств измерений значительное влияние оказывают условия измерений. Нормальные условия измерений устанавливаются в нормативно-технических документах.

Эталоны и их классификация

Эталон единицы физической величины представляет собой средство измерений (высокоточная мера) или комплекс средств измерений, предназначенных для воспроизведения и (или) хранения единицы величины для передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений и утвержденных в качестве эталона в установленном порядке. От эталона единица величины, как правило, передается разрядным эталонам, а от них – рабочим средствам измерений.

139

Конструкция эталона, его свойства и способы воспроизведения единицы определяются природой данной физической величины и уровнем развития измерительной техники в данной области измерений. Эталон должен обладать по крайней мере тремя тесно связанными друг с другом существенными признаками – неизменностью, воспроизводимостью и сличаемостью.

Эталоны классифицируются на первичные, вторичные и рабочие. Для обеспечения единства измерений в странах существуют специальные уровни поверочной схемы (рис. 19). Поверочная схема реализуется с помощью первичных эталонов, специальных эталонов, вторичных эталонов, образцовых и рабочих средств измерений.

Образцовые средства измерений

Рабочие средства измерений

Рис. 19. Уровни поверочной схемы

Первичные эталоны – это официально утвержденные эталоны, они носят название государственных эталонов и обеспечивают воспроизведение единицы физической величины с наивысшей точностью.

Специальный эталон обеспечивает воспроизведение единицы физической величины в специальных условиях и в этих условиях заменяет первичный эталон.

Вторичный эталон – это эталон, для которого размер воспроизводимой им единицы физической величины устанавливают по первичному эталону.

Кроме упомянутых, различают следующие виды эталонов:

1)эталоны сравнения, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличены друг с другом;

2)исходные эталоны, обладающие наивысшими метрологическими свойствами из имеющихся (в данной лаборатории,

140