Метрология- наука об измерениях методах и средствах обеспечения их единства. Базовые основы технических измерений и контроля.

Измерения являются одним из путей познания природы человеком, объединяющие теорию с практической деятельностью человека. Они являются основой научных знаний, служат для уче­та материальных ресурсов, обеспечения требуемого качества про­дукции, взаимозаменяемости деталей и узлов, совершенствования технологии, автоматизации производства,, стандартизации, охраны здоровья и обеспечения безопасности труда и для многих других отраслей человеческой деятельности. Измерения количественно ха­рактеризуют окружающий материальный мир, раскрывая дейст­вующие в природе закономерности. Об этом очень образно сказал основоположник отечественной метрологии Дмитрий Иванович Менделеев: «Наука начинается... с тех пор, как начинают изме­рять». Известно аналогичное высказывание и основоположника английской метрологии Томсона: «Каждая вещь известна лишь в той степени, в какой ее можно измерить». С этим перекликается и мнение известного русского ученого Б. С. Якоби, сформулирован­ное более 100 лет назад: «Искусство измерения является могуще­ственным оружием, созданным человеческим разумом для проник­новения в законы природы и подчинения ее сил нашему господ­ству».

Под измерительной техникой в широком понимании значения этих слов подразумевают как все технические средства, с помощью которых выполняют измерения, так и технику проведения измере­ний. Во всем мире ежедневно производятся сотни, тысячи миллиар­дов измерений. В интересах каждой страны, во взаимоотношениях между странами необходимо, чтобы результаты измерений, где бы они не выполнялись, могли бы быть согласованы. Другими слова­ми, необходимо, чтобы результаты измерений одинаковых величин, полученные в разных местах и с помощью различных измеритель­ных средств, были бы сопоставимы на уровне требуемой точности.

В первую очередь для этого необходимо единообразие единиц измеряемых величин и мер, осуществляющих вещественное их вос­произведение. Обеспечение высокой степени единообразия, или, как говорят, единства мер, является одним из условий обеспечения сопоставимости результатов измерений. Кроме того, необходимо вы­полнение ряда других условий для того, чтобы обеспечить все те качества результатов измерений, которые нужны для. их сопоста­вимости и правильного использования, что в целом называют един­ством измерений.

Вопросами теории и практики обеспечения единства измерений занимается метрология.

Метрология в самом широком понимании представляет собой науку об измерениях, об обеспечении их единства, о способах до­стижения требуемой точности, а также о методах и средствах до­стижения указанных целей. Метрология служит теоретической основой измерительной тех­ники. И чем больше развивается измерительная техника, тем большее значение приобретает метрология, создающая и совершенствую­щая теоретические основы измерений, обобщающая практический опыт в области измерений и направляющая развитие измеритель­ной техники.

Современная метрология включает в себя три составляющих:

–законодательное;

–фундаментальное;

–практическое.

Законодательная метрология - раздел метрологии включающие комплексы: взаимосвязанных общих правил, а также другие вопросы нуждающиеся в регламентации и контроля со стороны государства направленные на обеспечении единства измерений и единообразия средств измерений.

Вопросами фундаментальной метрологии ( исследовательская метрология), созданием систем единиц измерения, физических постоянных разработкой новых методов измерений занимается теоретическая метрология.

Вопросами практической метрологии в различных сферах деятельности в результате теоретических исследований занимается прикладная метрология.

Задачи метрологии:

определение основных направлений, развитие метрологического обеспечения производства;

Объекты метрологии–средства измерений, эталон, методики выполнения измерений и физические, и не физические (производственные величины).

Средства измерений - техническое устройство предназначенное для измерения.

Измерение - совокупность операций выполняющих с помощью технических средств хранящих единицу величины позволяющих способствовать измеряемую величину с ее единицей и получать значение величины.

Эталон - средство измерения предназначенное для воспроизведения и хранения единицы величины с целью передачи ее средствам измерения данной величины.

Виды эталонов. Первичный эталон обеспечивает воспроизводим ость единицы в особых условиях.

Вторичный эталон - эталон получаемый размер единицы путем сравнения с первичным эталоном.

Третий эталон - эталон сравнения - это вторичный эталон применяется для сравнения эталона, которые по тем или иным причинам не могут быть сравнены между собой.

Четвертый эталон - рабочий эталон применяется для непосредственной передачи размера единицы.

Главная задача метрологии–обеспечение единства измерений. Эта задача может быть решена при соблюдении двух условий:

выражение результата измерений в узаконенных единицах. (Система СИ);

установление допустимых ошибок результатов измерений и предела за которые они не должны выходить.

Метрологическая служба - совокупность субъектов деятельности и видов, работ направленное на обеспечение единства измерений. Метрологическая служба играет одну из главных ролей при контроле выпуске готовой продукции в обеспечении заданного уровня качества продукции. Под системой метрологического контроля понимается совокупность средств контроля и исполнителей взаимодеятельности с объектом по правилам установленным по соответственным документации.

Задачи метрологической службы:

–калибровка средств измерений;

–надзор за состоянием и применением средств измерений эталонами единицами величины, за соблюдением метрологических правил и норм по обеспечению единства измерений;

–анализ состояний измерений, испытаний контроля на предприятии в организации;

–выдача обязательных предписаний направления на предотвращение, прекращение или устранение нарушений метрологических правил и норм. метрологической службе должны уделять особое внимание состоянию измерена соблюдение метрологических правил и норм в сферах деятельности предприятий. Метрологическая служба может быть аккредитована на техническую компетентность в осуществлении конкретной деятельностью в области обеспечения единства и требуемой точности.

Метрологическое обеспечение. Обеспечение единства измерений.

Метрологическое обеспечение – и организационных основ, технических средств, правил и норм; необходимых для достижения единства и требуемой точности измерений.

Метрологическое обеспечение базируется на четырех основах:

научная - наука об измерениях;

техническая - обеспечивает единообразие средств измерения, когда они проградуированы в узаконенных единицах и их метрологические свойства соответствуют нормам;

организационная - метрологические службы, состоящие из государственных и ведомственных метрологических служб;

нормы и правила - регламентируют в стандартах государственной системы обеспечение единства измерений.

При метрологическом контроле проверяется:

степень технологической оснащенности производственным измерительным инструментом и метрологическое соответствие точностным характером; контрольной - измерительной и проверочной аппаратуры приборов, стендов и допусков на параметры изготавливаемого изделия;

достаточность контрольных операций в процессе изготовление изделия и обеспечение необходимым измерительным инструментом и испытательным оборудованием;

применение прогрессивных процессов и методов контроля, повышающих качество и объективность контроля, снижающих на контрольные операции.

Переход к рыночной экономики определил новые условия организации. В законе определены сферы деятельности, в которые соблюдение метрологических требований обязательно и на которые распространяются государственный метрологический надзор:

–охрана окружающей среды и обеспечение безопасности труда;

–обеспечение обороны страны;

–испытание и контроль качества продукции в целях определения

соответствия обязательным требованиям;

–измерения, проводимые по поручению суда и государственных органов управления РФ.

Задачи метрологического обеспечения:

–повысить качество продукции и эффективность производства;

–обеспечить взаимозаменяемость и достоверный учет выпускаемой продукции.

Законодательная метрология является нормативный базой обеспечения единства измерений.

Технической базой является система воспроизведения единиц физических величин и передача информации об их размерах всем без исключения средствам измерения.

Метрологическое обеспечение направленно на достижение единства измерений.

Единство измерений - состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности измерений известны с заданной вероятностью. Результатом измерений является значение физической величины, реализуемое в основном уравнением:

Х=а*(х) (1.1.)

где: а - числовое значение;

(х)- единица измеряемой физической величины;

X - значение физической величины.

Достижения сопоставляемых результатов измерений одних и тех же объектов, выполненных в разное время, в резных местах с помощью различных методов и средств, решаются путем обеспечения единства измерений. Для достижения сопоставляемых результатов применяют государственные, ведомственные и проверочные схемы, а так же проводят метрологическую экспертизу и аттестацию.

Проверка средств измерения - установление пригодности средств измерений к измерению на основании экспериментально определяемых метрологических характеристик и контроля их соответствия к установленным требованиям.

Метрологическая аттестация - признание средства измерения пригодным для применения на основании тщательных исследований метрологических свойств этого средства измерения.

Точность измерений характеризуется близостью их результатов к истинному значению измеряемой величины. Таким образом, важнейшей задачей метрологии является усовершенствованием эталонов, разработкой новых методов точных измерений, обеспечение единства и необходимой точности измерений.

Физические величины и единицы. Комиссия по разработке единой Международной системы единиц разработала проект Международной системы единиц, который был утвержден 9-й генеральной конференцией по мерам и весам. Принятая система была названа Международная система единиц СИ (SI – System International). Специалисты исходили из того, чтобы охватить системой все области науки и техники: принять удобные для практики размеры основных единиц, уже получившие распространение; выбрать в качестве основных единиц таких величин, воспроизведение которых возможно с наибольшей точностью.

Основные единицы СИ с указанием сокращенных обозначений русскими и латинскими буквами приведены в табл. 1.

Таблица 1

Основные единицы СИ

Величина	Единица измерения	Сокращенное обозначение
		русское		международное
Длина	метр	м	m
Масса	килограмм	кг	kq
Время	секунда	с	s
Сила эл. тока	ампер	А	A
Термодин. темп-ра	кельвин	К	K
Сила света	кандела	кд	cd
Кол-во вещества	моль	моль	mol

Определения основных единиц, соответствующие решениям Генеральной конференции по мерам и весам, следующие:

метр равен длине пути, проходимого светом в вакууме за 1/299792458 долю секунды;

килограмм равен массе международного прототипа килограмма;

секунда равна 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133;

ампер равен силе неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызывает на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную Н;

кельвин равен 1/273.16 части термодинамической температуры тройной точки воды;

моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0.012 кг;

кандела равна силе света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.

Дополнительные единицы СИ:

международная система единиц включает в себя две дополнительные единицы - для измерения плоского и телесного углов;

единица плоского угла - радиан (рад) - угол между двумя радиусами окружности, дуга между которыми по длине равна радиусу. В градусном исчислении радиан равен 57°17'48";

стерадиан (ср), принимаемый за единицу телесного угла, - телесный угол, вершина которого расположена в центре сферы и который вырезает на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, по длине равной радиусу сферы.

Дополнительные единицы СИ использованы для образования единиц угловой скорости, углового ускорения и некоторых других величин. Сами по себе радиан и стерадиан применяются в основном для теоретических построений и расчетов, так как большинство важных для практики значений углов (полный угол, прямой угол и т.д.) в радианах выражаются трансцендентными числами.

Общие методы измерений

Для точных измерений величин в метрологии разработаны приемы использования принципов и средств измерений, применение которых позволяет исключить из результатов измерений ряд систематических погрешностей и тем самым освобождает экспериментатора от необходимости определять многочисленные поправки для их компенсации, а в некоторых случаях вообще является предпосылкой получения сколько-нибудь достоверных результатов. Многие из этих приемов используют при измерении только определенных величин, однако существуют и некоторые общие приемы, названные методами измерения.

Наиболее просто реализуется метод непосредственной оценки, заключающийся в определении величины непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия, например взвешивание на циферблатных весах, определение размера детали с помощью микрометра или измерение давления пружинным манометром.

Измерения с помощью этого метода проводятся очень быстро, просто и не требуют высокой квалификации оператора, поскольку не нужно создавать специальные измерительные установки и выполнять какие-либо сложные вычисления. Однако точность измерений чаще всего оказывается невысокой из-за погрешностей, связанных с необходимостью градуировки шкал приборов и воздействием влияющих величин (непостоянство температуры, нестабильность источников питания и пр.).

При проведении наиболее точных измерений предпочтение отдается различным модификациям метода сравнения с мерой, при котором измеряемую величину находят сравнением с величиной, воспроизводимой мерой. Результат измерения либо вычисляют как сумму значения используемой для сравнения меры и показания измерительного прибора, либо принимают равным значению меры.

Метод сравнения с мерой, заключающийся в том, что измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на измерительный прибор сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение между ними, называется методом противопоставления. Примером этого метода является взвешивание груза на равноплечих весах, когда измеряемая масса определяется как сумма массы гирь, ее уравновешивающих. Применение метода противопоставления позволяет значительно уменьшить воздействие на результаты измерений влияющих величин, поскольку они более или менее одинаково искажают сигналы измерительной информации как в цепи преобразования измеряемой величины, так и в цепи преобразования величины, воспроизводимой мерой. Отсчетное устройство прибора сравнения реагирует на разность сигналов, вследствие чего эти искажения в некоторой степени компенсируют друг друга.