Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Метрология, стандартизация и сертификация. Учебное пособие-1
.pdf
Министерство транспорта Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего образования
«Российский университет транспорта»
Институт транспортной техники и систем управления
Кафедра «Электроэнергетика транспорта»
И.В. Семенов
МЕТРОЛОГИЯ,
СТАНДАРТИЗАЦИЯ
И СЕРТИФИКАЦИЯ
Учебное пособие
для студентов для направления подготовки
23.05.04 «Эксплуатация железных дорог»
Москва – 2021
1
УДК 006
С-30
Семенов И.В. Метрология, стандартизация и сертификация: Учебное пособие. – М.: РУТ
(МИИТ), 2021. – 120 с.
Рассмотрены основные теоретические задачи метрологии и метрологического
обеспечения, стандартизации и технического регулирования. Дана методика расчета
неопределенности измерения и пример ее расчета. Подробно рассмотрены вопросы
государственного регулирования в области обеспечения единства измерений.
Рецензенты: к.т.н., доцент заместитель директора ИУЦТ по науке РУТ (МИИТ)
Копылова Е.В.,
ведущий специалист Департамента технической политики ОАО «РЖД»
Углянкин Д.М.
© РУТ (МИИТ), 2021
2
ВВЕДЕНИЕ
«Да будут у вас весы верные, гири верные, ефа верная и гин верный» (Ветхий завет).
Это заповедь для торговца, но она призывает его к честности.
Измерения являются одним из важнейших путей познания природы, дают
количественную характеристику окружающего нас мира, дают раскрыть действующие в
природе закономерности. Д.И. Менделеев, подчеркивая значение измерений для науки,
писал: «Наука начинается с тех пор, как начинают измерять. Точная наука немыслима без
меры».
Измерения имеют большое значение в современном обществе. Они дают возможность
обеспечивать взаимозаменяемость узлов и деталей, совершенствовать технологию,
безопасность труда, других видов деятельности.
Одним из главных факторов, влияющих на конкурентоспособность продукции, работ,
услуг, является их качество. Стандартизация, взаимозаменяемость, метрология и
техническое регулирование являются инструментами обеспечения качества.
Требования к функционированию железнодорожного транспорта с его
инфраструктурой и подвижным составом очень жесткие, так как кроме качества
транспортного обслуживания, необходимо, в первую очередь, обеспечить его безопасность.
Данное учебное пособие предназначено для студентов РУТ (МИИТ), изучающих
дисциплину «Метрология, стандартизация и сертификация». С целью облегчить понимание
изучаемой дисциплины и стимулировать самостоятельную работу студентов по изучению
разделов дисциплины, большинство изучаемых вопросов проиллюстрировано схемами,
отражающими цели и задачи изучаемого вопроса, необходимые определения, и также
ссылки на нормативный документ, который регламентирует изучаемую тему. В связи с
совершенствованием метрологического обеспечения, гармонизацией требований с
международными организациями, вводятся новые нормативные документы. Указанные
нормативные документы являлись действующими во время подготовки данного пособия.
При работе с приведенным материалом следует проверить их действие. Перечень
нормативных документов по обеспечению единства измерений, стандартизации можно
посмотреть в открытой части Федеральной государственной информационной системы
Росстандарта по адресу https://fgis.gost.ru/#!/.
В качестве примера метрологической службы юридического лица, дана
метрологическая служба ОАО «РЖД», как наиболее общий пример, и основной
работодатель выпускников нашего вуза.
3
МЕТРОЛОГИЯ
1. Теоретическая метрология
1.1. Понятия и термины метр олог ии
На территории РФ действуют рекомендации РМГ29-2013, которые содержат
основные термины и определения в области метрологии. Эти рекомендации согласованы с
международными стандартами ИСО31(0-13) и ИСО 1000.
В соответствии с этими документами метрология (от греческого μετρου – мера, λογος
– учение) – это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и
способах достижения требуемой точности.
В более широком плане метрология может быть определена как наука об
установлении или определении количественных характеристик физических объектов. В
целом метрология – комплексная научная дисциплина, охватывающая математические,
физические, технические и экономические аспекты, как самих измерений, так и проблем
обеспечения установленной точности.
Основными задачами метрологии являются:
• создание общей теории измерений, разработка теоретических основ метрологии и
прикладных вопросов метрологии;
• обеспечение единства измерений, и их единообразия;
• внедрение наиболее рациональных систем физических величин;
• создание и внедрение новейших эталонов и образцов средств измерений;
• совершенствование методов передачи размеров единиц физических величин, рабочим
средствам измерения;
• разработка метрологических стандартов и нормативно-технических документов;
• создание новых и совершенствование известных принципов и методов измерения;
• разработка методов оценки погрешностей измерений и средств измерений;
• совершенствование методов снижения погрешностей измерений.
В зависимости от цели и задач различают три раздела метрологии: теоретическую,
законодательную и прикладную.
Теоретическая (фундаментальная) метрология – раздел метрологии, предметом
которого является разработка её фундаментальных основ.
Законодательная метрология – раздел метрологии, предметом которого является
установление обязательных технических и юридических требований при применении единиц
физических величин, эталонов, методов и средств измерений, направленных на обеспечение
единства и необходимой точности измерений в интересах общества.
Прикладная (практическая) метрология – раздел метрологии, предметом которого
являются вопросы практического применения разработок теоретической метрологии и
положений законодательной метрологии.
1.2. Физи ческ ие вели чины
Об объектах метрологии. Все объекты окружающего мира характеризуются своими
свойствами. Свойство выражает такую сторону объекта (явления, процесса), которая
обусловливает его различие или общность с другими объектами (явлениями, процессами) и
обнаруживается в его отношениях к ним. Свойство – это качественная категория. Для
4
количественного описания различных свойств, процессов и физических тел вводится
понятие величины.
Величина – это свойство чего-либо, что может быть выделено среди других свойств и
оценено тем или иным способом, в том числе и количественно. Величина имеет место лишь
постольку, поскольку существует объект со свойствами, выраженными данной величиной.
Величины разделяют на два вида: реальные и идеальные (математические).
Реальные физические величины в свою очередь делятся на физические и
нефизические. Физическая величина определяется как величина, свойственная
материальным объектам, изучаемым естественными и техническими науками, а
нефизические величины присущи общественным (нефизическим) наукам.
Физическая величина – это одно из свойств физического объекта (системы, явления
или процесса) общее в качественном отношении многим физическим объектам, но в
количественном отношении индивидуальное для каждого из них.
Размер физической величины – количественная оценка физической величины,
присущая конкретному материальному объекту, системе, явлению или процессу.
Значение физической величины – выражение размера физической величины в виде
некоторого числа принятых для нее единиц.
Числовое значение физической величины – отвлеченное число, входящее в значение
величины.
Единица измерения физической величины – физическая величина фиксированного
размера, которой условно присвоено числовое значение, равное единице, применяемая для
количественного выражения однородных с ней физических величин.
5
Теоретическая метрология имеет дело только с физическими величинами, которые
могут быть измеряемыми и оцениваемыми. Измеряемые физические величины могут быть
выражены количественно в виде определенного числа установленных единиц измерения.
Физические величины, для которых не может быть введена единица измерения, могут быть
только оценены.
По видам явлений физические величины делятся на следующие группы:
• вещественные (пассивные), описывающие физические и физико-химические свойства
веществ, материалов и изделий из них (масса, плотность, электрическое сопротивление,
индуктивность, емкость и т.д.), для их измерения необходимо использовать
вспомогательный источник энергии;
• энергетические (активные), т.е. величины, описывающие энергетические характеристики
процессов преобразования, передачи и использования энергии (ток, напряжение, мощность,
энергия и т.д.);
• характеризующие протекание процессов во времени (спектральные характеристики,
корреляционные функции т.д.).
По принадлежности к различным группам физических процессов физические величины
делятся на:
• пространственно-временные: геометрические, длина, отклонения форма поверхностей,
параметры сложных поверхностей, углы, методы и средства воспроизведения и хранения
единиц и шкал времени и частоты, измерения интервалов времени;
• механические: масса, сила, крутящий момент, механическое напряжение и деформация,
параметры движения, твердость, давление, вакуум;
• тепловые: температура, теплофизические величины;
• электрические и магнитные на постоянном и переменном токе: сила тока, количество
электричества, электродвижущая сила, напряжение, мощность, энергия, угол сдвига фаз,
электрическое сопротивление, проводимость, емкость, индуктивность и добротность
электрических цепей, параметры магнитных полей, магнитные характеристики материалов,
свойства веществ и материалов радиотехническими методами;
• акустические – в воздушной среде, в газах, в водной среде и в твердых телах, аудиометрия
и измерение уровня шума;
• световые: измерения оптических свойств материалов в видимой области спектра,
энергетические параметры некогерентного оптического излучения, спектральные, частотные
характеристики, поляризация лазерного излучения, параметры оптических элементов,
оптические характеристики материалов, характеристики фотоматериалов и оптической
плотности;
• физико-химические: вязкость, плотность, содержание (концентрация) компонентов в
твердых, жидких и газообразных веществах, влажность газов, твердых веществ,
электрохимические измерения;
• ионизирующих излучений и ядерных констант: дозиметрические характеристики
ионизирующих излучений, спектральные характеристики ионизирующих излучений,
активность радионуклидов, радиометрические характеристики ионизирующих излучений;
• расходометрия: параметры потока, расхода, уровня и объема веществ, массового и
объемного расхода жидкостей в трубопроводах, расход газов, вместимость, параметры
открытых потоков, уровень жидкости.
6
По степени условной независимости от других величин данной группы физические
величины делятся на основные (условно независимые) и производные (условно зависимые).
По наличию размерности физические величины делятся на размерные (имеющие
размерность) и безразмерные.
1.3. Измерение. Шкалы из мерен ий
Установление или определение количественных характеристик физических объектов
производится при измерении. Измерение – познавательный процесс, заключающийся в
сравнении путем физического эксперимента данной физической величины с известной
физической величиной, принятой за единицу измерения.
Измерение – совокупность операций, выполняемых для определения количественного
значения величины. Развернуто, определение инструментального измерения можно выразить
так: измерение – это совокупность операций, выполняемого с помощью технического
средства, хранящего единицу величины, позволяющего сопоставить измеряемую величину с
ее единицей, и получить значение величины – результат измерений.
Истинное значение физической величины – значение физической величины, которое
идеальным образом характеризует в качественном и количественном отношениях
соответствующую физическую величину.
Действительное значение физической величины – значение физической величины,
полученное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному значению, что в
поставленной измерительной задаче может быть использовано вместо него.
В практической деятельности необходимо проводить измерения различных величин,
характеризующих свойства тел, веществ, явлений и процессов. Разнообразные проявления
(количественные и качественные) любого свойства образуют множества, отображения
элементов которых на упорядоченное число или в общем случае условных знаков образуют
шкалы измерения этих свойств. Шкала физической величины – это упорядоченная
последовательность значений физической величины, принятая по соглашению на основании
результатов точных измерений.
Термины и определения теории шкал изложены в МИ 2365-96 где различают пять
основных типов шкал (таблица 1): наименований, порядка, интервалов, отношений и
абсолютную. Каждый тип шкалы обладает определенными признаками, основные из
которых рассматриваются ниже.
• Шкалы наименований отражают качественные свойства. Их элементы характеризуются
только соотношениями эквивалентности (равенства) и сходства конкретных качественных
проявлений свойств. Примерами таких шкал является шкала классификации (оценки) цвета
объектов по наименованиям (красный, оранжевый, желтый, зеленый и т.д.), опирающаяся на
стандартизованные атласы цветов, систематизированные по сходству. В таких атласах,
выполняющих роль своеобразных эталонов, цвета могут обозначаться условными номерами
(координатами, цветами). Измерения в шкале цветов выполняются путем сравнения при
определенном освещении образцов цвета из атласа с цветом исследуемого объекта и
установления эквивалентности их цветов.
В шкалах наименований нельзя ввести понятия единицы измерения; в них отсутствует
и нулевой элемент.
7
Шкалы наименований, по существу, качественны; однако возможны некоторые
статистические операции при обработке результатов измерений в этих шкалах, например,
можно найти модальный или наиболее многочисленный класс эквивалентности.
• Шкалы порядка – описывают свойства, для которых имеют смысл не только соотношения
эквивалентности, но и соотношения порядка по возрастанию или убыванию количественного
проявления свойства. Характерным примером шкал порядка являются существующие шкалы
чисел твердости тел, шкалы баллов землетрясений, шкалы баллов ветра, шкала оценки
событий на АЭС и т.п. Узкоспециализированные шкалы порядка широко применяются в
методах испытаний различной продукции.
В этих шкалах также нет возможности ввести единицы измерений из-за того, что они
не только принципиально нелинейны, но и вид нелинейности может быть различен и
неизвестен на разных ее участках. Результаты измерений в шкалах твердости, например,
выражаются в числах твердости по Бринеллю, Виккерсу, Роквеллу, Шору, а не в единицах
измерений. Шкалы порядка допускают монотонные преобразования, в них может
присутствовать или отсутствовать нулевой элемент.
• Шкалы разностей (интервалов) – отличаются от шкал порядка тем, что для описываемых
ими свойств имеют смысл не только соотношения эквивалентности и порядка, но и
суммирования интервалов (разностей) между различными количественными проявлениями
свойств. Характерный пример – шкала интервалов времени.
Интервалы времени (например, периоды работы, периоды учебы) можно складывать и
вычитать, но складывать даты каких-либо событий бессмысленно.
Другой пример, шкала длин (расстояний) - пространственных интервалов определяется
путем совмещения нуля линейки с одной точкой, а отсчет делается у другой точки. К этому
типу шкал относятся и шкалы температур по Цельсию, Фаренгейту, Реомюру.
Шкалы разностей имеют условные (принятые по соглашению) единицы измерений и нули,
опирающиеся на какие-либо реперы.
В этих шкалах допустимы линейные преобразования, в них применимы процедуры для
отыскания математического ожидания, стандартного отклонения, коэффициента ассиметрии
и смещенных моментов.
• Шкалы отношений. К множеству количественных проявлений в этих шкалах применимы
соотношения эквивалентности и порядка - операции вычитания и умножения, (шкалы
отношений 1-го рода - пропорциональные шкалы), а во многих случаях и суммирования
(шкалы отношений 2-го рода - аддитивные шкалы).
В шкалах отношений существуют условные (принятые по соглашению) единицы и
естественные нули. Примерами шкал отношений являются шкалы массы (2-го рода),
термодинамическая температурная шкала (1-го рода). Массы любых объектов можно
суммировать, но суммировать температуры разных тел нет смысла, хотя можно судить о
разности и, отношении их термодинамических температур. Шкалы отношений широко
используются в физике и технике, в них допустимы все арифметические и статистические
операции.
• Абсолютные шкалы – обладают всеми признаками шкал отношений, но дополнительно в
них существует естественное однозначное определение единицы измерений. Такие шкалы
используются для измерений относительных величин (отношений одноименных величин:
коэффициентов усиления, ослабления, КПД, коэффициентов отражений и поглощений,
амплитудной модуляции и т.д.).
8
• Логарифмические шкалы – логарифмическое преобразование шкал, часто применяемое на
Устанавливается
естественный
установления
эталон
Обязательные
практике, приводит к изменению типа шкал. Практическое распространение получили
логарифмические шкалы на основе применения систем десятичных и натуральных
логарифмов, а также логарифмов с основанием два.
Таблица 1.
Типы шкал измерений
Тип шкалы измерений
Признак типа шкалы
измерений
Допустимые логические и
математические соотношения между
проявлениями свойств
Наличие нуля
Наименова-
ний
Эквивалент-
ность
Не имеет
смысла
Порядка
Эквивалентность,
порядок
Необязательно
Разностей
(интервалов)
Эквивалентность,
порядок,
суммирование
интервалов
по соглашению
Отношений
1-го рода
Эквивалентность,
порядок,
пропорциональ-
ность
порядок, суммирование
Имеется
естественное
определение нуля
Абсолютные
2-го
рода
Эквивалентность,
Имеется
естественное
определение
нуля
Имеется
Наличие единицы измерения Не имеет смысла Устанавливается по соглашению
критерий
размера
единиц
Многомерность Возможна
Допустимые преобразования
Необходимость эталона
реализуемой шкалы
Что
должен воспроизводить
при его наличии
Изоморфное
отображение
Монотонные преобразования
Шкалы могут
реализовываться без
специальных эталонов
Весь используемый участок
шкалы
Большинство шкал реализуются
только посредством специальных
Какую
либо часть или
точку шкалы и
условный ноль
Умножение на
число
эталонов
Какую либо часть
или точку шкалы
Отсутствуют
Шкалы могут
быть
реализованы без
эталонов
требования
отсутствуют
1.4. Сист ема ед ин иц ф из иче ских величин
Совокупность физических величин, образованная в соответствии с принятыми
принципами, когда одни величины принимаются за независимые, а другие являются их
функциями, называется системой физических величин.
В Российской Федерации используется Международная система единиц (СИ),
введенная ГОСТ 8.417-2002 «ГСИ. Единицы физических величин». Система единиц,
основанная на Международной системе величин, вместе с наименованиями и
обозначениями, а также набором приставок и их наименованиями и обозначениями вместе с
правилами их применения, принятая Генеральной конференцией по мерам и весам (ГКМВ).В
качестве основных единиц приняты: метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль и
кандела.
Производные единицы бывают когерентными и некогерентными. Когерентной
называется производная единица физической величины, связанная с другими единицами
системы уравнением, в котором числовой множитель принят равным единице.
9
Система СИ определяет принцип выбора единиц для каждой конкретной измеряемой
-
1
-
2
величины, где образован единый способ определения когерентных производных единиц для
всех величин на базе ограниченного числа произвольно выбранных основных единиц.
Единообразие и простота принципа образования всех производных единиц коренным
образом упрощают всю их совокупность и превращают ее в стройную систему. Общее
определение когерентности системы единиц: если система единиц образована таким
образом, что уравнения между числовыми значениями, включая и числовые коэффициенты,
по форме совпадают с соответствующими уравнениями между величинами, то она
называется когерентной по отношению к рассматриваемой системе величин и уравнений
между ними.
Единицы физических величин делятся на системные и внесистемные. Системная
единица – единица физической величины, входящая в одну из принятых систем. Все
основные, производные, кратные и дольные единицы являются системными. Внесистемная
единица – это единица физической величины, не входящая ни в одну из принятых систем
единиц. Внесистемные единицы по отношению к единицам СИ разделяют на четыре вида:
• допускаемые наравне с единицами СИ, например единицы массы – тонна, плоского угла –
градус, минута, секунда, объема – литр;
• допускаемые к применению в специальных областях, например диоптрия – единица
оптической силы в оптике, электрон-вольт – единица энергии в физике;
• временно допускаемые к применению наравне с единицами СИ, например морская миля,
карат. Эти единицы должны изыматься из употребления в соответствии с международными
соглашениями;
• изъятые из употребления, например миллиметр ртутного столба, лошадиная сила и
другие.
Различают кратные и дольные единицы физических величин. Кратная единица – это
единица физической величины, в целое число раз превышающая системную или
внесистемную единицу. Дольная единица – единица физической величины, значение
которой в целое число раз меньше системной или внесистемной единицы.
Таблица 2.
Кратные и дольные приставки единиц
Обозначение
Наимен-
ование
Русское
Между-
народное
Множитель
Наименование
множителя
экса Э E 1000000000000000000=1018 квинтиллион
пета П P 1000000000000000=1015 квадриллион
тера Т N 1000000000000=1012 триллион
гига Г G 1000000000=109 миллиард
мега М M 1000000=106 миллион
кило к k 1000=103 тысяча
гекто г h 100=102 сто
дека да da 10=101 десять
деци д d 0,1=10
санти с c 0,01=10
одна десятая
одна сотая
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]