3 Метрологическое обеспечение в управлении качеством

Для того, чтобы иметь возможность согласовывать технические характеристики товаров, которые передаются от поставщиков потребителям, должна быть обеспечена возможность осуществлять сопоставление результатов измерений, проводимых той или другой стороной, а, возможно, и третьей стороной, выступающей в качестве арбитра. Для этого требуется длинная цепочка экспертиз и международных соглашений, которая разрабатывается на протяжении последних 200 лет. Эта цепочка начинается с определения фундаментальных физических единиц, стандартов физических эталонов, приборов для проведения измерений и оценки точности приборов. Именно эти вопросы рассматриваются в данном учебном разделе.

ОСНОВНЫЕ ЕДИНИЦЫ СИСТЕМЫ СИ

Вполне достаточно определить лишь ограниченное число основных единиц, т.к. прочие можно получить как производные. Основные единицы можно определить с помощью физических явлений или физических эталонов. Так, например, в качестве единицы меры длины ранее была принята длина стаартного метра, хранящегося в Париже, однако сейчас эта мера определяется длинной волны атомного излучения. Выбор основных единиц может быть произвольным; так, например, поскольку

Скорость = Длина / Время,

любая из этих трех величин может быть определена по двум другим. В действительности, в качестве основных единиц выбраны длина и время, и поэтому скорость является производной величиной. Однако, в принципе, в качестве основной единицы можно избрать и скорость (например, скорость света в вакууме), а в качестве производной единицы выбрать длину или время.

Используемыми в настоящее время основными единицами системы СИ ("System International"), установленными CIPM ("Comite International des Poids et Mesures"), являются: длина, масса, время, электрический ток, температура, количество вещества и сила света.

(а) Длина (метр, м)

Метр это длина пути, проходимого светом в вакууме за временной интервал, равный 1/299 792 458 секунды.

(б) Масса (килограмм, кг)

Килограмм является единицей массы, равной массе международного эталона массы, хранимого в Севре.

(в) Время (секунда, с)

Секунда это продолжительность времени равная 9 192 631 770 периодов излучения, возникающего при переходе с одного энергетического уровня на другой атома редкоземельного элемента Цезий 133.

(г) Электрический ток (ампер, А)

Ампер это сила постоянного тока, которая при протекании по двум прямолинейным параллельным проводникам бесконечной длины и бесконечно малого круглого поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии одного метра друг от друга, вызывает взаимодействие между проводниками силой 2·10^-7 Ньютона на каждый метр длины.

(д) Термодинамическая температура (кельвин, К)

Кельвин является единицей термодинамической температуры, равной 1/273,16 доли абсолютной температуры тройной точки воды.

(е) Количество вещества (моль, мол)

Молем определяется такое количеством вещества, число элементарных частиц в котором равно числу атомов, содержащихся в 0,012 кг углерода 12. При использовании моля в качестве единицы вещества должен быть определен тип элементарных частиц - атомы, молекулы, ионы, электроны или другие, или определены группы таких частиц.

(ж) Сила света (кандела, кд)

Канделой определяется сила света в заданном направлении от источника монохроматического излучения частотой 540·10¹² Гц при излучении с мощностью 1/683 Вт в пределах угла, равного одному стерадиану.

ПРОИЗВОДНЫЕ ЕДИНИЦЫ СИСТЕМЫ СИ

Приняв основные единицы, мы можем ввести другие (производные) единицы. Например:

• площадь (квадратный метр), объем (кубический метр),

• скорость (метр в секунду), ускорение (метр в секунду в квадрате),

• плотность (килограмм в кубическом метре), освещенность (кандела на квадратный метр).

Производные единицы с их названиями и обозначениями представлены в таблице 1.

Обратите внимание на то, что производные единицы могут быть выражены как через другие удобные производные единицы, так и через основные единицы. Например, энергия (джоуль) может быть обозначена как ньютонометр, либо, более формально, как квадратный метр килограмм в квадратную секунду.

Таблица.1

Производные единицы системы СИ

Величины	Название/Обозначение		Выражение через другие единицы
Частота	Герц	Гц	-	1/с
Сила	Ньютон	Н	-	м·кг/с2
Давление	Паскаль	Па	Н/м2	кг/(м·с2)
Энергия	Джоуль	Дж	Н·м	м2·кг/с2
Работа	Ватт	Вт	Дж/с	м2·кг/с3
Эл. напряжение	Вольт	В	Вт/А	м2·кг/(с3·А)
Эл. заряд	Кулон	К	А·с	с·А
Электроемкость	Фарада	Ф	Вт/А	с4·А2·(м2·кг)
Эл. сопротивление	Ом	Ом	В/А	м2·кг/(с3·А2)
Активная проводимость	Сименс	С	А/В	с3·А2·(м2·кг)
Магнитный поток	Вебер	Вб	В·с	м2·кг/с2·А)
Индуктивность	Генри	Гн	Вб/А	м2·кг/(с2·А2)
Световой поток	Люмен	Лм	-	кд·стер
Освещенность	Люкс	Лк	-	кд·стер/м2
Радиоактивность	Беккерель	Бк	-	Д/с
Доза поглощенного излучения	Грей	Гй	Дж/кг	м2/с2

. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ЕДИНИЦЫ В СИСТЕМЕ СИ

Две единицы измерения, приводимые ниже, не используются CIPM ни в качестве основных, ни производных единиц. Их можно рассматривать как безразмерные, относя в этом случае к основным единицам измерения, либо производными от длины и площади, с помощью которых они могут быть вычислены.

(а) Плоский угол (радиан, рад)

Радиан определяется как плоский угол между двумя радиусами окружности, отсекающими на этой окружности дугу, длина которой равна длине радиуса.

(б) Телесный угол (стерадиан, стер.)

Стерадиан определяется как телесный угол, вырезающий на сфере, описанной вокруг вершины угла, поверхность, площадь которой равна квадрату радиуса сферы.

ДОЛЬНЫЕ И КРАТНЫЕ ЕДИНИЦЫ (ПРЕФИКСЫ)

В ряде случаев масштаб основных или производных единиц оказывается неудобным для практического использования. Длина волны или период излучения на атомном уровне имеют длину и продолжительность сильно отличающиеся от тех величин, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни. Так, например, фарада является исключительно большой электроемкостью. Поэтому была установлена система префиксов для обозначения удобных множителей или долей единиц.

Вы, вероятно, уже знакомы с некоторыми из приставок, используемых для удобства представления больших значений или малых долей единиц измерения в системе СИ. Например, хотя сегодня килограмм и считается основной единицей измерения массы, в действительности основной единицей является грамм. Килограмм является одной тысячей или 10³ грамм, а миллиграмм является одной тысячной долей (10^-3) грамма. Полный перечень приставок представлен в таблице 2. Таблица 2.

Множители и приставки в системе СИ

Префикс	Символ	Число	Множитель
тера	Т	1.000.000.000.000	1012
гига	Г	1.000.000.000	109
мега	М	1.000.000	106
кило	к	1.000	103
гекто	г	100	102
дека	да	10	101
деци	д	0,1	10-1
санти	с	0,01	10-2
милли	м	0,001	10-3
микро	мк	0,000 0001	10-6
нано	н	0,000 000 001	10-9
пико	п	0,000 000 000 001	10-12
фемто	ф	0,000 000 000 000 001	10-15
атто	а	0,000 000 000 000 000 001	10-18

МЕТОДОЛОГИЯ

В предшествующих разделах мы рассматривали вопросы определения единиц, на которых базируются измерения. Мы также рассмотрели различные способы определения единиц через природные или материальные стандарты для того, чтобы обеспечить согласованность измерений. Во многих случаях сложность процедур измерений делает необходимым разработку метода испытаний или технических условий для обеспечения корректности этих измерений. Такие методы могут быть определены и согласованы между поставщиком и покупателем, если только они уже не сформулированы в виде национального стандарта и находят широкое применение. Это одна из многих причин для создания отраслевых, национальных и международных стандартов.

Документация на способы измерений может рассматриваться как калибровка способа. Другим средством обеспечения точности измерений является калибровка используемого оборудования.

ОТ ЕДИНИЦ ИЗМЕРЕНИЯ К ЭТАЛОНАМ

Основные единицы измерений создают рамки для создания универсальных стандартов измерений, и единственной единицей, которая сама по себе является, по сути, стандартом, является международный килограмм. Все другие требуют проведения измерений определенного уровня сложности, чтобы их связать с вторичным физическим эталоном или измерительным инструментом.

Для воспроизводимости измерений было бы идеальным, если бы все приборы были непосредственно связаны с простым физическим эталоном. Это мог бы быть либо единственный эталонный образец, либо какая-то универсальная природная характеристика. Первое, что понадобилось бы установить, это категория имеющегося стандарта, пригодного для использования в качестве эталона. Эти стандарты можно разделить на:

• природные эталоны;

• материальные эталоны;

• субъективные эталоны.

Природные эталоны

Мы уже видели, что большинство основных единиц измерений в системе СИ определяются природными эталонами. Физические константы, такие как расстояние, пройденное лучом света в вакууме за долю секунды, определяют эталон длины; явления, происходящие в атоме Цезия-133 определяют эталон времени, а тройная точка воды (примерно соответствующая температуре плавления льда) определяет эталон температуры. Эти эталоны могут рассматриваться как начальные (исходные) точки в цепочке калибровки инструментов для измерения длины, времени и температуры.

Материальные эталоны

Определить все единицы в системе СИ с помощью природных явлений оказывается практически невозможным. Так, например, единица массы определяется физическим базовым эталоном.

Субъективные эталоны

Это эталоны, требующие субъективного суждения человека с использованием его чувств и разума. Примером может послужить подбор красок по цвету, или производство виски (на соответствие вкусу), или оценка экзаменационных работ. Субъективных эталонов следует избегать, поскольку при их использовании трудно обеспечить достоверность. Однако, как очевидно, полностью избежать их применения не всегда возможно, а поэтому следует пытаться в максимальной степени снизить до минимума разброс в оценках.

Например, процедурА для "Визуального сравнения цветов краски"ОСНОВАНА НА таких СООБРАЖЕНИЯХ как:

• Использование подсветки только естественным или искусственным освещением и фона, выполненного определенной нейтральной серой краской.

• Определенный уровень освещенности.

• При использовании искусственного дневного света должен применяться рассеивающий экран, обеспечивающий равномерность освещения.

• Использование сопоставимых по цвету панелей, определенным образом подготовленных и обработанных.

• Учет влияния размеров и шероховатости поверхности на внешний вид сопоставляемого образца.

• Использование нейтрально окрашенных зон для отдыха глаз инспектора.

• Проверка инспектора на отсутствие дальтонизма.

• Ограничение длительности контроля во избежание ошибок, связанных с утомляемостью глаз при сопоставлении ярко окрашенных образцов.

ЗАДАНИЕ 5

Предложите испытание и выработайте соответствующее задание для лица, которое будет его проводить на примере трех характеристик выбранного Вами изделия .

ЭТАЛОНЫ

Статус основных единиц

Все основные единицы, за исключением килограмма, сегодня определены с помощью природных явлений. Поэтому они являются основой для "природных" стандартов, хотя, однако, знание эталона массы - килограмма при измерении силы, возникающей между двумя проводниками в случае определения единицы тока - ампера, массы углерода 12 в случае определения количества вещества - моля, а также определения единицы освещенности - канделлы, - остается актуальным.

Первичные стандартные эталоны

Становится очевидным (рассматривая, например, случай с единицей тока - ампером), что даже если естественные эталоны и имеются, они не обязательно отличаются особой точностью и простотой реализации. И, тем не менее, любая промышленно развитая страна имеет национальную лабораторию по эталонам (в Великобритании, например, это Физическая лаборатория в Теддингтоне, в США это NIST - Национальный институт науки и технологии). Эти национальные лаборатории хранят "первичные стандартные эталоны", которые в случае с килограммом являются производными от международного стандарта килограмма.

В случае других единиц измерений в системе СИ базой для построения измерительной цепочки является приборное оборудование, способное воспроизводить условия, установленные в определении базовой единицы СИ. Например, в случае единицы времени это, так называемые, "цезиевые часы". Хотя продолжительность одного периода установленного атомного перехода составляет порядка пикосекунды, этого достаточно для поверки частотомеров и частот радиовещания и поэтому они могут быть они могут быть восприняты другими центрами.

Другие измерения, например длины, могут осуществляться с использованием промежуточных эталонов и их иерархии, начинающейся с эталона (см. рис. 3).

Образцы, хранимые в подобных лабораториях, часто имеют законный статус, при этом другие используемые в стране эталоны с известной точностью соотносятся с ними.

Рис.3. Иерархия эталонов

Первичные эталоны являются вершиной пирамиды или иерархии стандартов, существующих и использующихся в стране (см. рис. 3). Рабочие инструменты поверяются "рабочими эталонами", которые могут использоваться для ежедневной калибровки на рабочем месте перед началом использования мерительного инструмента. В свою очередь рабочие эталоны калибруются по лабораторным или "промежуточным эталонам". Возможна целая цепочка промежуточных эталонов, проходящая через специализированные лаборатории калибровки к национальному эталону, который может сравниваться с национальными эталонами других стран.

ТОЧНОСТЬ, ПРЕЦИЗИОННОСТЬ И ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ

Ни одна из процедур калибровки не может быть точной, также как ни одна из основных единиц измерения не может быть определена с абсолютной точностью. Единица силы тока ампер, определение которой включает массу, длину и время, имеет максимальную точность 10^-6. Поэтому для того, чтобы быть уверенным в том, что изделие имеет удовлетворительную точность, соответствующую техническим условиям, измерения должны проводиться с помощью инструментов, погрешность которых, накопленная на протяжении всей цепочки калибровки от эталона до рабочего прибора, не превышала бы заданную.

Точность

Если один и тот же параметр одной и той же детали измеряется многократно, результаты будут иметь разброс, однако может быть вычислено среднее значение параметра. Степень совпадения среднего и истинного (заданного) значений, характеризует точность измерений, а разница между ними является "систематической" ошибкой (погрешностью). Разброс между результатами отдельных измерений является комбинацией "систематической" ошибки и "случайных" погрешностей. Систематическую погрешность можно устранить путем регулировки, однако, случайная ошибка сохраняется.

Прецизионность

Вариация между результатами отдельных измерений характеризует прецизионность измерительного процесса. Вы должны осознавать, что процесс может быть точным, но непрецизионным или прецизионным, но неточным. Пример из книги Прайса "Right First Time" иллюстрирует это весьма наглядно (см. Задание для контрольной работы 6).

Иллюстративный пример

Во время войны снайпер (А) обнаружил вражеского солдата (В), расположившегося под деревом и тоже имеющего винтовку. Снайпер произвел шесть выстрелов, растратив весь магазин. Все шесть пуль попали в ствол дерева рядом с ухом В. Область попадания всех шести пуль заняла площадь, покрываемую пачкой сигарет. В схватил свою винтовку и начал стрелять в ответ. 3 пули пролетели мимо, но одна попала в грудь, одна в бедро, а третья в голову.

Какой стрелок стрелял с большей прецизионностью? Достиг ли он также и большей точности, или это сделал его противник?

Пр авильный ответ Снайпер А был более прецизионным, но В был более точным. Формула успеха : Прецизионность - это красиво, но точность - это смертельно

ЗАДАНИЕ 6

Приведите пример характеризующий прецизионность и точность измерений.

Источники погрешностей

Систематические погрешности и разброс измерений определяются рядом причин:

• Состояние одного и того же оператора в разное время.

• Различия между операторами.

• Материалы, например, при использовании испытательных образцов при разрушающих испытаниях.

• Различия испытательных приборов.

• Различие методов измерений при использовании одного и того же прибора.

• Различие лабораторий, выполнявших одно и то же испытание.

Сложные погрешности

Наблюдаемые погрешности обычно являются результатом сложения нескольких отдельных погрешностей, которые, если они независимы друг от друга, следует суммировать среднеквадратическим образом. Так, если среднеквадратические отклонения случайного процесса, имеющего три источника ошибок А, В и С, известны наблюдаемая ошибка будет иметь среднеквадратическое отклонение, определяющееся как

Если общая ошибка на каждом этапе калибровочной цепочки зависит от калибровочной лаборатории, то для вычисления общей ошибки, характеризующей рабочий стандарт, можно воспользоваться той же формулой.

Подобная неопределенность присуща и калибровочной цепочке и способам измерения. Так, если среднеквадратические отклонения, характеризующие способ измерения и наблюдаемый параметр, составляют, соответственно, и , среднеквадратичное отклонение выходного параметра конечного продукта составит

Официальная оценка погрешностей

От калибровочной лаборатории, если она еще не сделала это, следует потребовать, чтобы она проводила запись результатов измерений до и после калибровки, и указывала при этом точность калибровки.

Важно знать, удовлетворял ли инструмент требованиям точности до его отправки на калибровку, поскольку, если это не так, то следует забраковать и результаты поверки других приборов, находящихся ниже его по калибровочной цепочке, и результаты проверок с его использованием. Может оказаться, что выпускалась продукция, не соответствующая стандарту, которую, при наличии прослеживаемости, следует отозвать.

Если прибор имел точность, не укладывающуюся в калибровочный допуск, следует выяснить, почему это произошло (неисправность, повреждение, дрейф), и предпринять соответствующие действия. Если причиной является дрейф, прибор следует калибровать чаще. Если инструмент все еще имел хорошую точность во время калибровки, это означает, что интервалы между калибровками можно увеличить.

Имейте в виду, что когда калибровочная лаборатория квалифицирует измерение, определяя его как "±%" или "± единиц", она определяет погрешность как среднеквадратическое отклонение по серии измерений или как меру возможной систематической ошибки. Поэтому следует обязательно сделать запрос в лабораторию, чтобы выяснить, о каких ошибках идет речь, после чего оценить ошибки по всей калибровочной цепи.

Порядок калибровки

Порядок калибровки был упомянут в последнем разделе в связи с возможным пересмотром интервалов между калибровками по результатам последней поверки. Интервал между калибровками может быть установлен на основе следующих факторов:

• календарного периода;

• частоты использования;

• фактического времени работы.

Первоначальный интервал обычно устанавливают исходя из рекомендаций изготовителя или на основании опыта эксплуатации аналогичных приборов. Установленный интервал может пересматриваться в процессе эксплуатации.

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЕДИНСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

Управление производственными процессами, а также обеспечение качества продукции и оценка соответствия техническим требованиям обязательно включает проведение того или иного рода измерений. Это утверждение распространяется далеко за пределы чисто производственной области и относится к сфере обслуживания. Так, например, розничные торговцы и фирмы, занимающиеся транспортировкой грузов, должны уметь измерять количество (вес или объем) товаров, передаваемых клиентам. Для защиты потребителей местные власти в Соединенном Королевстве создали отделы защиты потребителей (ранее называемые "по стандартам в области торговли"), контролирующие правильность измерений веса и объема товаров, а также их полное соответствие требованиям по качеству и безопасности.

Совокупность всех таких измерений и проверок требует выбора и правильного использования подходящего измерительного оборудования. Необходимые точность и прецизионность такого оборудования должна быть подтверждена оценкой его соответствия стандартам, к которым имеют доступ и другие стороны. В идеальном случае поверочная цепочка должна заканчиваться национальным эталоном. Таким образом, организация должна иметь систему калибровки, которая бы обеспечивала точность и устанавливала пределы точности измерений, которые она может выполнять.

Определение

Калибровка определяется стандартом следующим образом: "Все операции, выполняемые с целью определения ошибок измерительного инструмента (и, если необходимо, для определения других метрологических характеристик)."

В примечании к этому определению указывается, что слово калибровка часто имеет расширительное толкование и включает регулировку, настройку, градуировку шкалы и т.п. Другими словами, предполагается устранение или компенсация обнаруженных чрезмерных погрешностей.

Точность, прецизионность и погрешность

Мы только что использовали термин "чрезмерная" погрешность, что, возможно резануло Вам ухо. Вы скажете, "разве вообще бывает так, чтобы ошибка была приемлемой, а не чрезмерной?" Для разъяснения нам следует рассмотреть вопрос о том, какая степень прецизионности и точности должна быть обеспечена у готового продукта. Это важно, так как при рассмотрении вопроса калибровки доминируют представления и примеры из сферы машиностроения, характерные для условий механического цеха.

В механическом цехе детали могут обрабатываться точением, строганием или фрезерованием для получения формы и размеров, которые сопоставляются с размерами в синьках и имеют допуски, измеряемые микрометрами, и контролируются штангенциркулями и другими аналогичными измерительными инструментами. Настройка станка может измениться из-за износа; то же самое может произойти с измерительным инструментом, поскольку их измерительные поверхности входят в физический контакт с измеряемыми деталями. Измерительные инструменты сами по себе были изготовлены теми же самыми способами, из таких же материалов, как и детали, которые ими измеряются.

Может так оказаться, что для сохранения требуемой точности измерений микрометр будет необходимо использовать и хранить с особой осторожностью и осуществлять его калибровку ежемесячно. Например, если он используется для контроля размеров с точностью ±10 тысячных дюйма, его собственная точность должна быть на порядок выше, т.е. ±1 тысячная. В других случаях точность измерительных инструментов может быть значительно выше той, которая требуется на практике; источник тока для настольного компьютера может иметь технические условия, требующие обеспечить напряжение с точностью ±0.5 В, однако, при точном измерении с помощью цифрового милливольтметра может оказаться, что его напряжение укладывается в допуск ±1 милливольт.

Субъективные погрешности

Говоря о калибровке очень просто сбиться с толку, если рассматривать измерение природных констант и т.п., и потерять из виду конечную цель: убедиться в том, что измерения являются точными и удовлетворяют потребителя. Могут возникать другие проблемы, такие как случайное повреждение, неумелое обращение и недостаточные коммуникации. Можно проиллюстрировать сказанное следующей иллюстрацией практического случая имевшего место.

Кузнец время от времени изготавливал телеги для компании, занимавшейся извозом. Компания нашла, что установка контейнера на новую телегу затруднена и при проверке установила, что она на один сантиметр короче требуемой. Тележный мастер обнаружил, что рулетка, используемая им для измерений деталей телеги, износилась и стала короче на один сантиметр. Работающий мастер знал об этом и делал соответствующую поправку, однако, в момент изготовления именно этой телеги он был болен и разметка проводилась его помощником. Рулетка была заменена и дела пошли хорошо, однако вскоре транспортная компания обнаружила, что телеги стали на сантиметр длиннее.