Происхождение самого термина «метрология» возводя! к двум греческим словам: metron, что переводится как «мера», и logos – «учение». Бурное развитие метрологии пришлось на конец XX в. Оно неразрывно связано с развитием новых технологий. До этого метрология была лишь описательным научным предметом. Следует отметить и особое участие в создании этой дисциплины Д. И. Менделеева, которому подевалось вплотную заниматься метрологией с 1892 по 1907 гг… когда он руководил этой отраслью российской науки. Таким образом, можно сказать, что метрология изучает:
1) методы и средства для учета продукции по следующим показателям: длине, массе, объему, расходу и мощности;
2) измерения физических величин и технических параметров, а также свойств и состава веществ;
3) измерения для контроля и регулирования технологических процессов.
Выделяют несколько основных направлений метрологии:
1) общая теория измерений;
2) системы единиц физических величин;
3) методы и средства измерений;
4) методы определения точности измерений;
5) основы обеспечения единства измерений, а также основы единообразия средств измерения;
6) эталоны и образцовые средства измерений;
7) методы передачи размеров единиц от образцов средств измерения и от эталонов рабочим средствам измерения. Важным понятием в науке метрологии является единство измерений, под которым подразумевают такие измерения при которых итоговые данные получаются в узаконенных единицах, в то время как погрешности данных измерений получены с заданной вероятностью. Необходимость существования единства измерений вызвана возможностью сопоставления результатов различных измерений, которые были проведены в различных районах, в различные временные отрезки, а также с применением разнообразных методов и средств измерения.
Следует различать также объекты метрологии:
1) единицы измерения величин;
2) средства измерений;
3) методики, используемые для выполнения измерений и т. д.
Метрология включает в себя: во—первых, общие правила, нормы и требования, во—вторых, вопросы, нуждающиеся в государственном регламентировании и контроле. И здесь речь идет о:
1) физических величинах, их единицах, а также об их измерениях;
2) принципах и методах измерений и о средствах измерительной техники;
3) погрешностях средств измерений, методах и средствах обработки результатов измерений с целью исключения погрешностей;
4) обеспечении единства измерений, эталонах, образцах;
5) государственной метрологической службе;
6) методике поверочных схем;
7) рабочих средствах измерений.
В связи с этим задачами метрологии становятся: усовершенствование эталонов, разработка новых методов точных измерений, обеспечение единства и необходимой точности измерений. Термины
Очень важным фактором правильного понимания дисциплины и науки метрология служат использующиеся в ней термины и понятия. Надо сказать, что, их правильная формулировка и толкование имеют первостепенное значение, так как восприятие каждого человека индивидуально и многие, даже общепринятые термины, понятия и определения он трактует по—своему, используя свой жизненный опыт и следуя своим инстинктам, своему жизненному кредо. А для метрологии очень важно толковать термины однозначно для всех, поскольку такой подход дает возможность оптимально и целиком понимать какое—либо жизненное явление. Для этого был создан специальный стандарт на терминологию, утвержденный на государственном уровне. Поскольку Россия на сегодняшний момент воспринимает себя частью мировой экономической системы, постоянно идет работа над унификацией терминов и понятий, создается международный стандарт. Это, безусловно, помогает облегчить процесс взаимовыгодного сотрудничества с высокоразвитыми зарубежными странами и партнерами. Итак, в метро логии используются следующие величины и их определения:
1) физическая величина,представляющая собой общее свойство в отношении качества большого количества физических объектов, но индивидуальное для каждого в смысле количественного выражения;
2) единица физической величины,что подразумевает под собой физическую величину, которой по условию присвоено числовое значение, равное единице;
3) измерение физических величин,под которым имеется в виду количественная и качественная оценка физического объекта с помощью средств измерения;
4) средство измерения,представляющее собой техническое средство, имеющее нормированные метрологические характеристики. К ним относятся измерительный прибор, мера, измерительная система, измерительный преобразователь, совокупность измерительных систем;
5) измерительный приборпредставляет собой средство измерений, вырабатывающее информационный сигнал в такой форме, которая была бы понятна для непосредственного восприятия наблюдателем;
6) мера– также средство измерений, воспроизводящее физическую величину заданного размера. Например, если прибор аттестован как средство измерений, его шкала с оцифрованными отметками является мерой;
7) измерительная система,воспринимаемая как совокупность средств измерений, которые соединяются друг с другом посредством каналов передачи информации для выполнения одной или нескольких функций;
8) измерительный преобразователь– также средство измерений, которое производит информационный измерительный сигнал в форме, удобной для хранения, просмотра и трансляции по каналам связи, но не доступной для непосредственного восприятия;
9) принцип измерений как совокупность физических явлений,на которых базируются измерения;
10) метод измерений как совокупность приемов и принципов использования технических средств измерений;
11) методика измерений как совокупность методов и правил,разработанных метрологическими научно—исследовательскими организациями, утвержденных в законодательном порядке;
12) погрешность измерений,представляющую собой незначительное различие между истинными значениями физической величины и значениями, полученными в результате измерения;
13) основная единица измерения, понимаемая как единица измерения,имеющая эталон, который официально утвержден;
14) производная единица как единица измерения,связанная с основными единицами на основе математических моделей через энергетические соотношения, не имеющая эталона;
15) эталон,который имеет предназначение для хранения и воспроизведения единицы физической величины, для трансляции ее габаритных параметров нижестоящим по поверочной схеме средствам измерения. Существует понятие «первичный эталон», под которым понимается средство измерений, обладающее наивысшей в стране точностью. Есть понятие «эталон сравнений», трактуемое как средство для связи эталонов межгосударственных служб. И есть понятие «эталон—копия» как средство измерений для передачи размеров единиц образцовым средствам;
16) образцовое средство,под которым понимается средство измерений, предназначенное только для трансляции габаритов единиц рабочим средствам измерений;
17) рабочее средство,понимаемое как «средство измерений для оценки физического явления»;
18) точность измерений,трактуемая как числовое значение физической величины, обратное погрешности, определяет классификацию образцовых средств измерений. По показателю точности измерений средства измерения можно разделить на: наивысшие, высокие, средние, низкие. Классификация измерений
Классификация средств измерений может проводиться по следующим критериям.
1. По характеристике точностиизмерения делятся на равноточные и неравноточные. Равноточными измерениямифизической величины называется ряд измерений некоторой величины, сделанных при помощи средств измерений (СИ), обладающих одинаковой точностью, в идентичных исходных условиях. Неравноточными измерениямифизической величины называется ряд измерений некоторой величины, сделанных при помощи средств измерения, обладающих разной точностью, и (или) в различных исходных условиях.
2. По количеству измеренийизмерения делятся на однократные и многократные. Однократное измерение– это измерение одной величины, сделанное один раз. Однократные измерения на практике имеют большую погрешность, в связи с этим рекомендуется для уменьшения погрешности выполнять минимум три раза измерения такого типа, а в качестве результата брать их среднее арифметическое. Многократные измерения– это измерение одной или нескольких величин, выполненное четыре и более раз. Многократное измерение представляет собой ряд однократных измерений. Минимальное число измерений, при котором измерение может считаться многократным, – четыре. Результатом многократного измерения является среднее арифметическое результатов всех проведенных измерений. При многократных измерениях снижается погрешность.
3. По типу изменения величиныизмерения делятся на статические и динамические. Статические измерения– это измерения постоянной, неизменной физической величины. Примером такой постоянной во времени физической величины может послужить длина земельного участка. Динамические измерения– это измерения изменяющейся, непостоянной физической величины.
4. По предназначениюизмерения делятся на технические и метрологические. Технические измерения– это измерения, выполняемые техническими средствами измерений. Метрологические измерения– это измерения, выполняемые с использованием эталонов.
5. По способу представления результатаизмерения делятся на абсолютные и относительные. Абсолютные измерения– это измерения, которые выполняются посредством прямого, непосредственного измерения основной величины и (или) применения физической константы. Относительные измерения– это измерения, при которых вычисляется отношение однородных величин, причем числитель является сравниваемой величиной, а знаменатель – базой сравнения (единицей). Результат измерения будет зависеть от того, какая величина принимается за базу сравнения.
6. По методам получения результатовизмерения делятся на прямые, косвенные, совокупные и совместные. Прямые измерения– это измерения, выполняемые при помощи мер, т. е. измеряемая величина сопоставляется непосредственно с ее мерой. Примером прямых измерений является измерение величины угла (мера – транспортир). Косвенные измерения– это измерения, при которых значение измеряемой величины вычисляется при помощи значений, полученных посредством прямых измерений, и некоторой известной зависимости между данными значениями и измеряемой величиной. Совокупные измерения– это измерения, результатом которых является решение некоторой системы уравнений, которая составлена из уравнений, полученных вследствие измерения возможных сочетаний измеряемых величин. Совместные измерения– это измерения, в ходе которых измеряется минимум две неоднородные физические величины с целью установления существующей между ними зависимости. Единицы измерения
В 1960 г. на XI Генеральной конференции по мерам и весам была утверждена Международная система единиц (СИ).
В основе Международной системы единиц лежат семь единиц, охватывающих следующие области науки: механику, электричество, теплоту, оптику, молекулярную физику, термодинамику и химию:
1) единица длины (механика) – метр;
2) единица массы (механика) – килограмм;
3) единица времени (механика) – секунда;
4) единица силы электрического тока (электричество) – ампер;
5) единица термодинамической температуры (теплота) – кельвин;
6) единица силы света (оптика) – кандела;
7) единица количества вещества (молекулярная физика, термодинамика и химия) – моль.
В Международной системе единиц есть дополнительные единицы:
1) единица измерения плоского угла – радиан;
2) единица измерения телесного угла – стерадиан.Таким образом, посредством принятия Международной системы единиц были упорядочены и приведены к одному виду единицы измерения физических величин во всех областях науки и техники, так как все остальные единицы выражаются через семь основных и две дополнительных единицы СИ. Например, количество электричества выражается через секунды и амперы. Погрешность измерений
В практике использования измерений очень важным показателем становится их точность, которая представляет собой ту степень близости итогов измерения к некоторому действительному значению, которая используется для качественного сравнения измерительных операций. А в качестве количественной оценки, как правило, используется погрешность измерений. Причем чем погрешность меньше, тем считается выше точность.
Согласно закону теории погрешностей, если необходимо повысить точность результата (при исключенной систематической погрешности) в 2 раза, то число измерений необходимо увеличить в 4 раза; если требуется увеличить точность в 3 раза, то число измерений увеличивают в 9 раз и т. д.
Процесс оценки погрешности измерений считается одним из важнейших мероприятий в вопросе обеспечения единства измерений. Естественно, что факторов, оказывающих влияние на точность измерения, существует огромное множество. Следовательно, любая классификация погрешностей измерения достаточно условна, поскольку нередко в зависимости от условий измерительного процесса погрешности могут проявляться в различных группах. При этом согласно принципу зависимости от формы данные выражения погрешности измерения могут быть: абсолютными, относительными и приведенными.
Кроме того, по признаку зависимости от характера проявления, причин возникновения и возможностей устранения погрешности измерений могут быть составляющими При этом различают следующие составляющие погрешности: систематические и случайные.
Систематическая составляющая остается постоянной или меняется при следующих измерениях того же самого параметра.
Случайная составляющая изменяется при повторных изменениях того же самого параметра случайным образом. Обе составляющие погрешности измерения (и случайная, и систематическая) проявляются одновременно. Причем значение случайной погрешности не известно заранее, поскольку оно может возникать из—за целого ряда неуточненных факторов Данный вид погрешности нельзя исключить полностью, однако их влияние можно несколько уменьшить, обрабатывая результаты измерений.
Систематическая погрешность, и в этом ее особенность, если сравнивать ее со случайной погрешностью, которая выявляется вне зависимости от своих источников, рассматривается по составляющим в связи с источниками возникновения.
Составляющие погрешности могут также делиться на: методическую, инструментальную и субъективную. Субъективные систематические погрешности связаны с индивидуальными особенностями оператора. Такая погрешность может возникать из—за ошибок в отсчете показаний или неопытности оператора. В основном же систематические погрешности возникают из—за методической и инструментальной составляющих. Методическая составляющая погрешности определяется несовершенством метода измерения, приемами использования СИ, некорректностью расчетных формул и округления результатов. Инструментальная составляющая появляется из—за собственной погрешности СИ, определяемой классом точности, влиянием СИ на итог и разрешающей способности СИ. Есть также такое понятие, как «грубые погрешности или промахи», которые могут появляться из—за ошибочных действий оператора, неисправности СИ или непредвиденных изменений ситуации измерений. Такие погрешности, как правило, обнаруживаются в процессе рассмотрения результатов измерений с помощью специальных критериев. Важным элементом данной классификации является профилактика погрешности, понимаемая как наиболее рациональный способ снижения погрешности, заключается в устранении влияния какого—либо фактора. Виды погрешностей
Выделяют следующие виды погрешностей:
1) абсолютная погрешность;
2) относительна погрешность;
3) приведенная погрешность;
4) основная погрешность;
5) дополнительная погрешность;
6) систематическая погрешность;
7) случайная погрешность;
8) инструментальная погрешность;
9) методическая погрешность;
10) личная погрешность;
11) статическая погрешность;
12) динамическая погрешность.
Погрешности измерений классифицируются по следующим признакам.
По способу математического выражения погрешности делятся на абсолютные погрешности и относительные погрешности.
По взаимодействию изменений во времени и входной величины погрешности делятся на статические погрешности и динамические погрешности.
По характеру появления погрешности делятся на систематические погрешности и случайные погрешности.
По характеру зависимости погрешности от влияющих величин погрешности делятся на основные и дополнительные.
По характеру зависимости погрешности от входной величины погрешности делятся на аддитивные и мультипликативные. Абсолютная погрешность– это значение, вычисляемое как разность между значением величины, полученным в процессе измерений, и настоящим (действительным) значением данной величины.
Абсолютная погрешность вычисляется по следующей формуле:
?Qn =Qn ?Q0,
где AQn – абсолютная погрешность; Qn – значение некой величины, полученное в процессе измерения; Q0 – значение той же самой величины, принятое за базу сравнения (настоящее значение). Абсолютная погрешность меры– это значение, вычисляемое как разность между числом, являющимся номинальным значением меры, и настоящим (действительным) значением воспроизводимой мерой величины. Относительная погрешность– это число, отражающее степень точности измерения.
Относительная погрешность вычисляется по следующей формуле:
где ?Q – абсолютная погрешность; Q0 – настоящее (действительное) значение измеряемой величины.
Относительная погрешность выражается в процентах. Приведенная погрешность– это значение, вычисляемое как отношение значения абсолютной погрешности к нормирующему значению.
Нормирующее значение определяется следующим образом:
1) для средств измерений, для которых утверждено номинальное значение, это номинальное значение принимается за нормирующее значение;
2) для средств измерений, у которых нулевое значение располагается на краю шкалы измерения или вне шкалы, нормирующее значение принимается равным конечному значению из диапазона измерений. Исключением являются средства измерений с существенно неравномерной шкалой измерения;
3) для средств измерений, у которых нулевая отметка располагается внутри диапазона измерений, нормирующее значение принимается равным сумме конечных численных значений диапазона измерений;
4) для средств измерения (измерительных приборов), у которых шкала неравномерна, нормирующее значение принимается равным целой длине шкалы измерения или длине той ее части, которая соответствует диапазону измерения. Абсолютная погрешность тогда выражается в единицах длины.
Погрешность измерения включает в себя инструментальную погрешность, методическую погрешность и погрешность отсчитывания. Причем погрешность отсчитывания возникает по причине неточности определения долей деления шкалы измерения. Инструментальная погрешность– это погрешность, возникающая из—за допущенных в процессе изготовления функциональных частей средств измерения ошибок. Методическая погрешность– это погрешность, возникающая по следующим причинам:
1) неточность построения модели физического процесса, на котором базируется средство измерения;
2) неверное применение средств измерений. Субъективная погрешность– это погрешность возникающая из—за низкой степени квалификации оператора средства измерений, а также из—за погрешности зрительных органов человека, т. е. причиной возникновения субъективной погрешности является человеческий фактор.
Погрешности по взаимодействию изменений во времени и входной величины делятся на статические и динамические погрешности. Статическая погрешность– это погрешность, которая возникает в процессе измерения постоянной (не изменяющейся во времени) величины. Динамическая погрешность– это погрешность, численное значение которой вычисляется как разность между погрешностью, возникающей при измерении непостоянной (переменной во времени) величины, и статической погрешностью (погрешностью значения измеряемой величины в определенный момент времени).
По характеру зависимости погрешности от влияющих величин погрешности делятся на основные и дополнительные. Основная погрешность– это погрешность, полученная в нормальных условиях эксплуатации средства измерений (при нормальных значениях влияющих величин). Дополнительная погрешность– это погрешность, которая возникает в условиях несоответствия значений влияющих величин их нормальным значениям, или если влияющая величина переходит границы области нормальных значений. Нормальные условия– это условия, в которых все значения влияющих величин являются нормальными либо не выходят за границы области нормальных значений. Рабочие условия– это условия, в которых изменение влияющих величин имеет более широкий диапазон (значения влияющих не выходят за границы рабочей области значений). Рабочая область значений влияющей величины– это область значений, в которой проводится нормирование значений дополнительной погрешности.
По характеру зависимости погрешности от входной величины погрешности делятся на аддитивные и мультипликативные. Аддитивная погрешность– это погрешность, возникающая по причине суммирования численных значений и не зависящая от значения измеряемой величины, взятого по модулю (абсолютного). Мультипликативная погрешность– это погрешность, изменяющаяся вместе с изменением значений величины, подвергающейся измерениям.
Надо заметить, что значение абсолютной аддитивной погрешности не связано со значением измеряемой величины и чувствительностью средства измерений. Абсолютные аддитивные погрешности неизменны на всем диапазоне измерений.
Значение абсолютной аддитивной погрешности определяет минимальное значение величины, которое может быть измерено средством измерений.
Значения мультипликативных погрешностей изменяются пропорционально изменениям значений измеряемой величины. Значения мультипликативных погрешностей также пропорциональны чувствительности средства измерений Мультипликативная погрешность возникает из—за воздействия влияющих величин на параметрические характеристики элементов прибора.
Погрешности, которые могут возникнуть в процессе измерений, классифицируют по характеру появления. Выделяют:
1) систематические погрешности;
2) случайные погрешности.
В процессе измерения могут также появиться грубые погрешности и промахи. Систематическая погрешность– это составная часть всей погрешности результата измерения, не изменяющаяся или изменяющаяся закономерно при многократных измерениях одной и той же величины. Обычно систематическую погрешность пытаются исключить возможными способами (например, применением методов измерения, снижающих вероятность ее возникновения), если же систематическую погрешность невозможно исключить, то ее просчитывают до начала измерений и в результат измерения вносятся соответствующие поправки. В процессе нормирования систематической погрешности определяются границы ее допустимых значений. Систематическая погрешность определяет правильность измерений средств измерения (метрологическое свойство).
Систематические погрешности в ряде случаев можно определить экспериментальным путем. Результат измерений тогда можно уточнить посредством введения поправки.
Способы исключения систематических погрешностей делятся на четыре вида:
1) ликвидация причин и источников погрешностей до начала проведения измерений;
2) устранение погрешностей в процессе уже начатого измерения способами замещения, компенсации погрешностей по знаку, противопоставлениям, симметричных наблюдений;
3) корректировка результатов измерения посредством внесения поправки (устранение погрешности путем вычислений);
4) определение пределов систематической погрешности в случае, если ее нельзя устранить.
Ликвидация причин и источников погрешностей до начала проведения измерений. Данный способ является самым оптимальным вариантом, так как его использование упрощает дальнейший ход измерений (нет необходимости исключать погрешности в процессе уже начатого измерения или вносить поправки в полученный результат).
Для устранения систематических погрешностей в процессе уже начатого измерения применяются различные способы Способ введения поправокбазируется на знании систематической погрешности и действующих закономерностей ее изменения. При использовании данного способа в результат измерения, полученный с систематическими погрешностями, вносят поправки, по величине равные этим погрешностям, но обратные по знаку. Способ замещениясостоит в том, что измеряемая величина заменяется мерой, помещенной в те же самые условия, в которых находился объект измерения. Способ замещения применяется при измерении следующих электрических параметров: сопротивления, емкости и индуктивности. Способ компенсации погрешности по знакусостоит в том, что измерения выполняются два раза таким образом, чтобы погрешность, неизвестная по величине, включалась в результаты измерений с противоположным знаком. Способ противопоставленияпохож на способ компенсации по знаку. Данный способ состоит в том, что измерения выполняют два раза таким образом, чтобы источник погрешности при первом измерении противоположным образом действовал на результат второго измерения. Случайная погрешность– это составная часть погрешности результата измерения, изменяющаяся случайно, незакономерно при проведении повторных измерений одной и той же величины. Появление случайной погрешности нельзя предвидеть и предугадать. Случайную погрешность невозможно полностью устранить, она всегда в некоторой степени искажает конечные результаты измерений. Но можно сделать результат измерения более точным за счет проведения повторных измерений. Причиной случайной погрешности может стать, например, случайное изменение внешних факторов, воздействующих на процесс измерения. Случайная погрешность при проведении многократных измерений с достаточно большой степенью точности приводит к рассеянию результатов. Промахи и грубые погрешности– это погрешности, намного превышающие предполагаемые в данных условиях проведения измерений систематические и случайные погрешности. Промахи и грубые погрешности могут появляться из—за грубых ошибок в процессе проведения измерения, технической неисправности средства измерения, неожиданного изменения внешних условий. Выбор средств измерений
При выборе средств измерений в первую очередь должно учитываться допустимое значение погрешности для данного измерения, установленное в соответствующих нормативных документах.
В случае, если допустимая погрешность не предусмотрена в соответствующих нормативных документах, предельно допустимая погрешность измерения должна быть регламентирована в технической документации на изделие.
При выборе средств измерения должны также учитываться:
1) допустимые отклонения;
2) методы проведения измерений и способы контроля. Главным критерием выбора средств измерений является соответствие средств измерения требованиям достоверности измерений, получения настоящих (действительных) значений измеряемых величин с заданной точностью при минимальных временных и материальных затратах.
Для оптимального выбора средств измерений необходимо обладать следующими исходными данными:
1) номинальным значением измеряемой величины;
2) величиной разности между максимальным и минимальным значением измеряемой величины, регламентируемой в нормативной документации;
3) сведениями об условиях проведения измерений.
Если необходимо выбрать измерительную систему, руководствуясь критерием точности, то ее погрешность должна вычисляться как сумма погрешностей всех элементов системы (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей), в соответствии с установленным для каждой системы законом.
Предварительный выбор средств измерений производится в соответствии с критерием точности, а при окончательном выборе средств измерений должны учитываться следующие требования:
1) к рабочей области значений величин, оказывающих влияние на процесс измерения;
2) к габаритам средства измерений;
3) к массе средства измерений;
4) к конструкции средства измерений.
При выборе средств измерений необходимо учитывать предпочтительность стандартизированных средств измерений. 19. Методы определения и учета погрешностей
Методы определения и учета погрешностей измерений используются для того, чтобы:
1) на основании результатов измерений получить настоящее (действительное) значение измеряемой величины;
2) определить точность полученных результатов, т. е. степень их соответствия настоящему (действительному) значению.
В процессе определения и учета погрешностей оцениваются:
1) математическое ожидание;
2) среднеквадратическое отклонение. Точечная оценка параметра(математического ожидания или среднеквадратического отклонения) – это оценка параметра, которая может быть выражена одним числом. Точечная оценка является функцией от экспериментальных данных и, следовательно, сама должна быть случайной величиной, распределенной по закону, зависящему от закона распределения для значений исходной случайной величины Закон распределения значений точечной оценки будет зависеть также от оцениваемого параметра и от числа испытаний (экспериментов).
Точечная оценка бывает следующих видов:
1) несмещенная точечная оценка;
2) эффективная точечная оценка;
3) состоятельная точечная оценка. Несмещенная точечная оценка– это оценка параметра погрешности, математическое ожидание которой равно этому параметру. Эффективная точечная о<
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. Я. 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 воспроизводимы на уровне требуемой точности.
В первую очередь для этого необходимо единообразие единиц физических величин и мер, осуществляющих вещественное их воспроизведение. Обеспечение высокой степени единообразия средств измерения является одним из условий обеспечения воспроизводимости результатов измерений. Кроме того, необходимо выполнение ряда других условий для того, чтобы обеспечить все те каче-
ства 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, о методах и средствах, обеспечении их единства, о способах достижения требуемой точности. 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.
При всем множестве и многообразии предприятий, изготовляющих средства измерений, и при еще большем множестве (во много раз большем) предприятий, организаций и учреждений, производящих измерения и использующих их результаты, метрология создала и осуществила систему, направленную на всеобщее обеспечение единства измерений и единообразие средств измерений. Эта система вылилась в единую государственную службу, которая раньше при ограниченной измерительной технике именовалась службой мер и весов. В настоящее время, когда диапазон деятельности этой службы вырос во много раз, она называется метрологической службой страны.
В нашей жизни в связи с развитием науки, техники, разработкой новых технологий, эталонов и средств измерений, измерения охватывают более современные физические величины, расширяются диапазоны измерений. Постоянно растут требования к точности измерений. Велико значение измерений в современном обществе. Они служат не только основой научно-технических знаний, но имеют первостепенное значение для учета материальных ресурсов и планирования, для внутренней и внешней торговли, для обеспечения качества продукции, взаимозаменяемости узлов и деталей и совершенствования технологии, для обеспечения безопасности труда и других видов человеческой деятельности. Измерения и мероприятия по обеспечению их единства и точности объединяются единым понятием “Метрологическое обеспечение”, которое традиционно определяют как деятельность по установлению и применению научных и организационных основ, технических средств, правил и норм для достижения единства и требуемой точности различных способов определения значений физических величин. Единство измерений – комплекс принятых мер, при которых результаты измерений выражены в общепринятых узаконенных единицах величин и погрешности измерений не превышают установленных стандартов с учитываемой вероятностью; Средство измерений – устройство, предназначенное для проведения измерений. Метрологическая служба – субъект управления, контроля и регламентирования видов работ, направленных на обеспечение единства и единообразия измерений. Поверка средства измерений – комплекс мер, исполняемых объектами государственной метрологической службы с целью подтверждения соответствия СИ установленным ГОСТ техническим требованиям. Калибровка средства измерений – комплекс принятых мер, исполняемых для подтверждения и определения действующих значений метрологических характеристик и(или) годности к использованию СИ, не подлежащего обязательному государственному контролю и метрологическому надзору. Велико значение измерений в современном обществе. Они служат не только основой научно-технических знаний, но имеют первостепенное значение для учета материальных ресурсов и планирования, для внутренней и внешней торговли, для обеспечения качества продукции, взаимозаменяемости узлов и деталей и совершенствования технологии, для обеспечения безопасности труда и других видов человеческой деятельности.
ВВЕДЕНИЕ
Международный словарь основных и общих терминов метрологии (У1М, 2-е изд., 1993 г.) дает самое краткое определение метрологии: наука об измерениях. Измерения сопутствуют человеку буквально на каждом шагу. В повседневной жизни мы постоянно сталкиваемся с измерениями расстояний, масс, времени, температуры, давления. В современной промышленности ежедневно выполняются миллиарды измерений. Доля затрат на выполнение измерений составляет в среднем 10-15% от общих трудозатрат, а в электронике – до 60- 80%. О роли измерений в научных исследованиях достаточно определенно высказался Д.И. Менделеев: «Наука начинается… с тех пор, как начинают измерять; точная наука немыслима без меры».
Необычайно широк спектр значений измеряемых величин. Например, расстояния (в метрах) измеряют в диапазоне от Ю-10 до 1017, температуру (в Кельвинах) – от 0,5 до 106, силу электрического тока (в амперах) – от 10~16 до 104, мощность (в ваттах) – от 10 ~15 до 109.
Достигнутая точность уникальных измерительных систем поражает воображение. Лучшие национальные эталоны позволяют измерять интервалы времени с погрешностью, не превышающей Ю-16 с. Это означает, что погрешность всего в одну секунду сможет «набежать» не ранее чем через 300 миллионов лет! Такой уровень точности – не экзотика, он диктуется практическими потребностями общества, в первую очередь задачами развития космической и оборонной техники. Для того, чтобы обеспечить определение координат подвижного объекта (корабля, самолета, автомобиля, человека) в любом географическом районе Земли с погрешностью не более 20-30 метров, на борту спутников навигационных космических систем (ГЛОНАСС в России, NАV5ТАК-СР5 в США) установлены квантовые стандарты частоты с погрешностью Ю-13 сек. Причиной отклонения головной части ракеты на 100 м и более может оказаться ошибка в измерениях температуры топлива всего на 1 -С.
Метрология как область практической деятельности по своей социальной значимости соизмерима с системами связи, транспорта, здравоохранения, торговли, обороны страны. Закон РФ «Об обеспечении единства измерений» направлен «на защиту прав и законных интересов граждан, установленного правопорядка и экономики Российской Федерации от отрицательных последствий недостоверных результатов измерений». Применение приборов, не прошедших поверку, или ошибочных методов измерений ведет к нарушению технологического процесса, браку продукции, потерям ресурсов, появлению предпосылок для аварийных ситуаций. Так, авария на Чернобыльской атомной электростанции в 1986 г. явилась следствием, в числе прочего, плохой организации измерений.
В различных странах были проведены исследования для определения экономической выгоды от затрат на метрологию. Хотя точные обобщающие цифры отсутствуют, нет никакого сомнения в том, что выгода значительно превышает затраты. Например, по данным Национального института стандартов и технологий США, отношение затрат к выгоде за счет повышения точности измерений сопротивления кремния в полупроводниковом производстве составило 1 : 37, а сертификация стандартных образцов для различных сортов бензина, проведенная в соответствии с «Законом о чистом воздухе» (1990) и позволившая в несколько раз снизить неопределенность в измерениях, дала годовой экономический эффект около 40 млн долл.
Реализация современных высоких технологий невозможна без применения всего арсенала метрологии. Такие технологии требуют получения и переработки огромного объема измерительной информации, без которой их внедрение не дает ожидаемого эффекта. Для осуществления измерений широко применяется микропроцессорная техника и персональные компьютеры, а также интеллектуальные средства измерений. Возросшие требования к качеству измерения превратили его в сложную процедуру подготовки и проведения измерительного эксперимента, обработки и интерпретации полученной информации. В связи с большим разнообразием измерений, их классифицируют по областям измерений, т. е. совокупностям видов измерений, свойственных какой-либо области науки или техники и выделяющихся своей спецификой. Принято различать следующие области и виды измерений:
1.Геометрические измерения (длина, угол, отклонения формы и расположения поверхностей, параметры шероховатости поверхности, координаты сложной поверхности).
2.Механические измерения (масса, сила, крутящий момент, напряжение и деформация, твердость, параметры движения) метрологии
3.Измерения расхода, вместимости, уровня, параметров потока.
4.Измерения давления и вакуума.
5.Физико-химические измерения (вязкость, плотность, влажность, концентрация компонентов, кондуктометрия, рН-метрия).
6.Температурные и теплофизические измерения.
7.Измерения времени и частоты.
8.Электрические и магнитные измерения на постоянном и переменном токе (сила тока, напряжение, энергия, мощность, сопротивление, проводимость, емкость, индуктивность, добротность, параметры электрических и магнитных полей, магнитные характеристики материалов).
9.Радиоэлектронные измерения (интенсивность, параметры формы и спектра сигналов, параметры трактов и антенн, измерения свойств веществ и материалов радиотехническими методами).
10.Виброакустические измерения (параметры вибрации, акустические измерения в газовой и жидкой среде и в твердых телах).
11.Оптические и оптико-физические измерения (сила света, освещенность, энергетические параметры излучения, характеристики лазерного излучения, оптические свойства и характеристики материалов).
12.Измерения параметров ионизирующих излучений и ядерных констант.
13.Биологические и биомедицинские измерения.
Границы реального распространения метрологии определяются тем содержанием, которым наполняется термин «измерение», поскольку понятие измерения является фундаментальным для метрологии. Пока же продолжается поиск такой формулировки его определения, которая бы адекватно отражала практически реализуемую в настоящее время систему измерений и была признана большинством метрологов. Иллюстрацией диапазона мнений в подходе к этому вопросу могут служить два примера определения термина «измерение»[5, c.8-11].
1. ЭЛЕМЕНТЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ПРОЦЕДУРЫ
Предметом метрологии является получение качественной или количественной информации о свойствах объектов окружающего мира путем измерения. Само измерение – сложная процедура, включающая целый ряд последовательных и взаимодействующих элементов. Совокупность и порядок следования элементов процедуры измерения конкретного свойства фиксируется в форме соответствующей методики выполнения измерений.
Начальным элементом всякого измерения является его задача (цель). Задача измерения в общем случае – это получение результата измерения требуемого качества, т. е. необходимой точности и достоверности. Формулирование конкретной измерительной задачи осуществляется с учетом априорной (полученной до проведения самого измерения) информации об измеряемом объекте и его свойствах. Анализ априорной информации позволяет заранее определить характеристики предстоящего измерения, в том числе достижимый уровень его точности.
Объект измерения – это реальный объект (тело, вещество, поле, явление, процесс, организм), обладающий некоторой суммой свойств и находящийся в многосторонних и сложных связях с другими объектами. Субъект измерения (человек, выполняющий измерение) принципиально не может охватить объект целиком, во всем многообразии его свойств и связей. Поэтому его взаимодействие с объектом измерения возможно только на основе модели объекта. Модель объекта измерения строится в соответствии с целью измерения на основе априорной информации об объекте и условиях измерения. Построение адекватной модели объекта измерения является сложной и неформализуемой задачей.
Субъект измерения осуществляет выбор принципа, метода и средства измерений. Принцип измерения – научно описанное явление (или эффект), положенное в основу метода измерения. Например, при эталонных измерениях электрического напряжения используется эффект Джозефсона, при измерении температуры – термоэлектрический эффект, при измерении скорости – эффект Доплера.
Метод измерения – логическая последовательность операций, описанная в общем виде и применяемая для сравнения конкретного проявления свойства объекта со шкалой измерений этого свойства. Методы измерений весьма разнообразны и могут быть классифицированы по различным признакам. Зачастую методу измерения дается собственное название не потому, что он существенно отличается от известных методов, а лишь для удобства его практического использования.
Например, методы непосредственной оценки, противопоставления, замещения, совпадения, дифференциальный, нулевой методы являются, по существу, разновидностями метода сравнения с мерой.
Метод измерения реализуется с помощью средств измерений. Средством измерений называют объект, воспроизводящий и (или) хранящий какую-либо часть шкалы измерений (точку, участок) и предназначенный для выполнения измерений. Большинство средств измерений являются конструктивно законченными техническими устройствами. Каждое средство измерений имеет нормированные метрологические характеристики, которые оказывают влияние на качество результатов измерений.
Своеобразным средством измерений является человек, который использует свои органы чувств (осязание, обоняние, зрение, слух, вкус) при органолептических измерениях, интуицию – при эвристических измерениях, знания и навыки – при экспертных измерениях.
Важную роль в процессе измерения играют условия измерения – совокупность влияющих величин, описывающих состояние окружающей среды и средства измерений. К влияющим относят величины, не измеряемые в конкретной процедуре измерения, но оказывающие влияние на его результаты (температура, давление, влажность, электрическое напряжение, частота питания в сети и др.). Отклонение от нормальных условий измерения приводит к изменению состояния объекта измерения и средства измерений, что может вызвать расширение интервала неопределенности (или появление дополнительной погрешности измерения).
Измерительный эксперимент является центральным элементом процедуры измерения. В узком смысле – это отдельное, однократное измерение, которое часто называют наблюдением. В общем случае измерительный эксперимент содержит ряд последовательных операций по взаимодействию средства измерений с измеряемым объектом, получению, преобразованию и индикации сигналов измерительной информации, регистрации результатов наблюдений.
Завершает процедуру измерения операция обработки экспериментальных данных, включающая проведение вычислений согласно принятому алгоритму, получение результата измерения, оценку его точности и достоверности, запись результата и его неопределенности (или погрешности) в соответствии с установленной формой представления[5, c.12-14].
. МЕТРОЛОГИЯ: КРАТКАЯ ИСТОРИЯ
метрология измерение точность испытание
Метрология зародилась в глубокой древности, когда начали формироваться первые государства, стала развиваться торговля, появилась необходимость выполнять достаточно большие общественные работы. Исторические памятники называют её возраст: более 6 тыс.лет.
На каждом этапе своего развития метрология решала собственные задачи, отражающие потребности общества. Вместе с этим менялось и само понятие метрологии. В дословном переводе с древнегреческого (от metron – мера и 1оgos – учение) метрология – наука о мерах. Измерить величину – значит сравнить ее с мерой.
Многие века меры были в основном антропометрическими (связанными с размерами человеческого тела – пядь, фут, локоть, аршин, сажень) или обиходными (например, первоначально дюйм – длина трех ячменных зерен, приставленных одно к другому своими концами). Раздробленность территорий и народов обусловила огромное разнообразие однородных мер. Так, к концу XVIII в. в разных странах существовало (округленно) 280 различных футов (мера длины), 390 фунтов (мера веса, в современном понимании – мера массы). С развитием торговых и финансовых связей отсутствие единых мер стало вызывать существенные трудности.
Важным событием в развитии метрологии стало принятие Национальным собранием Франции в 1790 г. Декрета о реформе мер. В основу декрета легла предложенная группой академиков метрическая система мер. В качестве базовой была выбрана естественная мера длины, равная одной десятимиллионной доле четверти парижского меридиана, которая получила название метра. Второй (производной) мерой системы был назван килограмм, равный массе одного кубического дециметра чистой воды при температуре 4 °С. Были изготовлены (1799) и сданы на хранение в Архив Французской республики платиновые эталоны этих мер, названные «метром Архива» и «килограммом Архива».
К настоящему времени к Метрической конвенции присоединились 48 государств, в которых сосредоточено более 95% мирового промышленного капитала. День подписания Метрической конвенции – 20 мая – предложено отмечать как Всемирный день метрологии.
Главный элемент системы измерений в любой стране – национальный метрологический институт (НМИ). В соответствии с Метрической конвенцией многие промышленные страны учредили или реорганизовали свои НМИ. Первыми среди них стали: Федеральный физико-технический институт РТВ Германии в 1887 г., Главная палата мер и весов России в 1893 г., Национальная физическая лаборатория NРL Великобритании в 1900 г., Национальное бюро стандартов NBS Соединенных Штатов Америки в 1901 г. (ныне – Национальный институт стандартов и технологий NIST). К концу XIX в. все страны, подписавшие Метрическую конвенцию, получили национальные эталоны метра и килограмма, изготовленные в 1889 г. по единой технологии из платино-иридиевого сплава с наивысшей возможной для того времени точностью. Те прототипы этих эталонов, которые оказались наиболее близкими по своим значениям к архивным эталонам 1799 г., получили статус международных эталонов и поступили в Международное бюро мер и весов (МБМВ).
Развитие метрологии в России получило серьезный импульс с назначением в 1892 г. управляющим Дело образцовых мер и весов крупнейшего российского ученого Менделеева. По его инициативе Депо было преобразовано в Главную палату мер и весов (1893), ставшую одним из первых в мире национальных научных учреждений метрологического профиля. Под руководством Д.И. Менделеева была проведена работа по созданию комплекта российских эталонов и их международным сличениям, начала создаваться государственная метрологическая служба, реализована широкая программа научных исследований в области метрологии, проведена подготовка к внедрению в России метрической системы[5, c.15-17].
3. НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ СОВРЕМЕННОЙ МЕТРОЛОГИИ
Отечественные метрологи определяют сегодня метрологию как «науку об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства, а также способах достижения требуемой точности». Обычно метрологию представляют как науку и область деятельности, включающую три взаимосвязанных раздела – теоретический, законодательный и прикладной.
Теоретическая (фундаментальная) метрология изучает и разрабатывает ее научные основы. Предметами этого раздела являются: теория измерений, теория шкал измерений, проблемы установления систем единиц измерений, теория исходных средств измерений (эталонов) и передачи шкал и размеров единиц, вопросы использования в метрологии фундаментальных физических постоянных, теория точности измерений и др.
Законодательная метрология включает взаимосвязанные юридические и научно-технические вопросы, которые нуждаются в регламентации со стороны государства с целью обеспечения единства измерений. Ключевыми документами законодательной метрологии являются: Закон РФ «Об обеспечении единства измерений» и стандарты Государственной системы обеспечения единства измерений – ГСИ. Основными понятиями служат: «методика выполнения измерений»; «испытание, метрологическая аттестация, поверка и сертификация средств измерений»; «метрологический контроль и надзор».
Прикладная (практическая) метрология изучает и разрабатывает вопросы практического применения положений теоретической и законодательной метрологии. Предметом прикладной метрологии являются все виды работ, проводимых в сферах распространения государственного метрологического контроля и надзора.
В последние десятилетия метрология активно проникала в новые для себя области: испытания и контроль качества продукции, кибернетика и системотехника, здравоохранение и охрана окружающей среды, экономика, социология и психология, педагогика и спорт, дегустация (вин, парфюмерных веществ). На очереди измерения таких свойств, как блеск, глянец, запах, вкус и др. Стали измерять не только величины, включенные в международную систему единиц (57), но и те свойства, которые не описываются физическими законами. Более того, некоторые из измеряемых свойств не являются величинами, т. к. носят не количественный, а качественный характер. Появились новые измерительные процедуры (вплоть до «статистических» и «мягких» измерений), которые не укладываются в рамки традиционной («классической») метрологии. В практику измерений начинают входить такие понятия, как «нечеткая логика», «нейронные сети», «генетические алгоритмы». Все большую актуальность приобретает энтропийный подход к оценке точности результатов измерений. Многогранность метрологии определила ее особое место в системе наук. Главной особенностью метрологии, выделяющей ее среди других естественных наук, является большое количество принципиальных положений, установленных условно, по соглашению: выбор системы единиц, размеры основных единиц, методики выполнения измерений, нормальные условия проведения измерений, нормируемые метрологические характеристики средств измерений и др.[5, c. 18-19].
4. ПОНЯТИЕ ОБ ИЗМЕРЕНИЯХ
Метрология – наука об измерениях, о методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Под единством измерений понимают такое их состояние, при котором результаты измерений выражены в узаконенных единицах величин, и погрешности измерений не выходят за установленные границы с заданной вероятностью.
Метрология изучает широкий круг вопросов, связанных как с теоретическими проблемами (теоретическая метрология), так и с задачами практики (практическая метрология). К основным разделам метрологии относятся: общая теория измерений, единицы физических величин и их системы, методы и средства измерений физических величин, методы оценки точности измерений, методы эталонирования. На основании теоретических положений метрологии обоснованы и стандартизированы практические рекомендации, регламентирующие все стороны измерений (законодательная метрология).
Измерениями называют совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, которые обеспечивают нахождение соотношения измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины. Таким образом, измерение можно определить как экспериментальное нахождение отношения измеряемой физической величины к другой однородной величине, принятой за единицу. Физической величиной называют свойство, общее в качественном отношении для многих объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого. Например, физическими величинами являются длина, электрический ток, напряжение, индуктивность. Количественное содержание физической величины, характеризующее конкретный объект, называют размером физической величины (размером величины). Оценку физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц называют значением физической величины.
Для обозначения частных особенностей физических величин применяют термин параметр. Например, конденсатор характеризуют емкостью, а его параметрами можно считать тангенс угла потерь, температурный коэффициент емкости, индуктивность вводов. Иногда параметром называют измеряемую физическую величину – амплитуду, фазу, частоту.
Различают истинное, действительное и измеренное значения физической величины. Истинное значение идеальным образом отражает в количественном и качественном отношениях соответствующие свойства объекта, и его стараются найти при измерениях. Однако из-за неизбежных погрешностей измерений истинное значение получить не удается. На практике вместо истинного значения экспериментально определяют действительное значение, настолько приближающееся к истинному значению, что может быть использовано вместо него. Измеренное значение получают по данным эксперимента.
Средства измерений. Применяемое при измерениях техническое средство, имеющее нормированные метрологические характеристики (характеристики, влияющие на точность измерений), воспроизводящее или хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени, называют средством измерений (СИ). К средствам измерений относят эталоны физических величин, меры, измерительные приборы, измерительные преобразователи, измерительно-вычислительные комплексы (ИВК), компьютерно-измерительные системы (КИС) и измерительные информационные системы (ИИС).
Измерительный преобразователь – структурный элемент более сложных средств измерений, имеющий самостоятельные метрологические характеристики. Различают первичные, передающие, промежуточные и масштабные преобразователи. Первичные преобразователи называют датчиками.
На основе нескольких измерительных преобразователей создают измерительные приборы и меры. Измерительный прибор предназначен для образования выходного сигнала в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Измерительные приборы делят на аналоговые и цифровые. Показание аналогового прибора является непрерывной функцией измеряемой величины. К аналоговым относят, например, приборы со стрелочными указателями. Цифровые приборы вырабатывают дискретный сигнал измерительной информации в цифровой форме.
Мера служит для воспроизведения физической величины заданного размера. Так, мерами являются образцовая катушка индуктивности или образцовый конденсатор переменной емкости.
Измерительно-вычислительные комплексы представляют собой совокупность средств измерений и компьютера, объединенных с помощью устройств сопряжения и предназначенных для измерений, научных исследований и расчетов. Такие же функции выполняют КИС, построенные на основе компьютеров, дополненных измерительными модулями.
Измерительные информационные системы – совокупность функционально объединенных измерительных, вычислительных и других вспомогательных технических средств, предназначенных для получения измерительной информации, ее преобразования и обработки в целях представления в удобном потребителю виде либо автоматического осуществления контроля, диагностики или идентификации. В настоящее время получают распространение приборы, состоящие из персонального компьютера, дополненного платой сбора данных, содержащей аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) и образцовые меры. Плата обеспечивает преобразование аналогового измерительного сигнала в цифровой, функции его обработки выполняет компьютер. Для наглядного отображения информации и удобства управления процессом измерений на экране монитора воспроизводят лицевую панель измерительного прибора со всеми элементами настройки, управление которыми производят с клавиатуры компьютера или «мышью». Такие приборы называются виртуальными.
Классификация измерений. По способу получения результата измерения подразделяют на прямые, косвенные, совместные и совокупные.
Прямыми называются измерения, при которых искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных. К ним, например, относится измерение напряжения с помощью вольтметра или измерение интервала времени с помощью измерителя временных интервалов.
При косвенных измерениях искомое значение У величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами Хь Х2, …, Хп, измеряемыми посредством прямых измерений: У = Х2, …, Хп).
Например, к косвенным относится измерение рассеиваемой на резисторе мощности Р = II2/Я по результатам прямых измерений напряжения [I и сопротивления резистора К.
Совместные измерения состоят в одновременном измерении двух или нескольких неодноименных величин для нахождения зависимости между ними. Примером совместных измерений может служить получение зависимости сопротивления резистора от его температуры.,
Совокупными называют производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомое значение находят из решения системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин. Измерения, связанные с обработкой измерительной информации, такие как косвенные, совместные и совокупные, часто выполняют с помощью средств измерений, сопряженных со средствами вычислительной техники, например ИВК или КИС. В этом случае процессы получения экспериментальных данных и их обработка автоматизированы, на отсчетном устройстве индицируется результат расчетов.
Погрешности измерений. Значение измеряемой величины наблюдатель оценивает по показанию СИ, которое считывают с показывающего (отсчетного) устройства. В цифровых приборах это цифровое табло (дисплей). В приборах со стрелочным указателем показание отсчитывают по ближайшей к стрелке отметке шкалы, иногда учитывают и доли деления, применяя интерполяцию на глаз.
По показанию определяют результат измерений – значение физической величины, полученное путем ее измерения и представленное неименованным или именованным числом. Если измерения произведены один раз (однократно) и их не требуется корректировать, то показание часто принимают за результат измерений.
В общем случае результат может отличаться от показания. Это имеет место при проведении многократных измерений, когда результат измерений получают, например, как среднеарифметическое результатов отдельных измерений. Совместно с результатом измерений в случае необходимости приводят и данные, характеризующие условия проведения эксперимента, а также погрешности.
Отклонение результата измерений х от истинного значения X измеряемой величины называется абсолютной погрешностью результата измерений или абсолютной погрешностью измерений
Практически нет ни одной сферы деятельности, где бы интенсивно не использовались результаты измерений, испытаний и контроля, будь то промышленность, медицина или торговля. Одной из важных задач метрологии является обеспечение единства измерений и достоверности их результатов. Метрология возникла как наука о различных мерах и соотношениях между ним. Само слово «метрология» образовано из двух греческих слов: (iexpov — мера и Хоуо? — мысль, причина, наука, учение, что переводится как учение о мерах. Метрология — наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Предметом метрологии является извлечение количественной информации о свойствах объектов и процессов с заданной точностью и достоверностью. Метрология, как и любая другая наука, основывается на нескольких основополагающих постулатах, являющихся теоретическим фундаментом метрологии на основе нескольких общих свойств для всего многообразия любых физических объектов.
Постулаты метрологии (от лат. postulaturn — требование, правило, принимаемое без доказательств — как истина):
1) существует определенная измеряемая физическая величина и ее истинное значение;
2) истинное значение измеряемой величины постоянно (и не связано ни с какими временными и другими явлениями);
3) существует несоответствие измеряемой величины исследуемому свойству объекта (т.е. сколько бы мы ни пытались достичь идеального значения измеряемой величины, мы его не получим, и «виной» всему — погрешности методов и средств измерений).
Метрология, являющаяся фундаментальной наукой, стала основой многих технических прикладных наук.
В РМГ 29-99 выделены следующие разделы метрологии:
• теоретическая (фундаментальная) — ее предмет — получение новых знаний и разработка фундаментальных основ метрологии;
• законодательная — раздел метрологии, содержанием которого является установление обязательных технических и юридических требований по применению единиц физических величин, эталонов, методов и средств измерений, направленных на обеспечение единства и необходимой точности измерений в интересах общества;
• практическая (прикладная) — ее предмет — вопросы практического применения разработок теоретической метрологии и положений законодательной метрологии.
В настоящее время объектом метрологии являются все единицы измерений физических величин — механических, электрических, тепловых и др.
Современная научно-техническая революция обусловила дальнейшее мощное развитие метрологии. Эта наука имеет большое значение для прогресса естественных и технических наук, так как повышение точности измерений — один из путей совершенствования познания природы человеком, открытий и практического применения точных знаний. Точные измерения неоднократно позволяют делать фундаментальные открытия. Велико практическое значение метрологии для народного хозяйства страны. Она служит научной основой методов и средств измерений. Под средствами измерений понимают все технические средства, с помощью которых выполняются измерения. Измерительная техника в торговле, промышленности, медицине занимает значительное место среди материальных ресурсов современного общества. Развитие метрологии связано с разработкой новых методов точных измерений, осуществлением мероприятий, обеспечивающих единство и требуемую точность измерений, с усовершенствованием эталонов измерении.
Достижение высокого качества продукции находится в зависимости от метрологического обеспечения технологического процесса. Роль измерений в повышении качества продукции заключается, в частности, в оперативном, поэтапном контроле производства товаров с помощью средств измерений. Недостаточная точность в измерениях, нарушение единства измерений могут привести к большим потерям в народном хозяйстве. Огромный объем измерений в настоящее время возможен только с применением электронных вычислительных систем.
В связи с развитием международной торговли, конкуренции товаров на внешнем и внутреннем рынке, сертификации продукции роль достоверности измерений и единообразия средств измерений возрастает.
Для удовлетворения нужд народного хозяйства страны в проведении измерений на необходимом научно-техническом уровне и создана Государственная метрологическая служба России. Задача метрологической службы — обеспечить достоверность и единство измерений в стране. Метрология должна опережать в своем развитии другие области науки и техники, так как для каждой из них точные измерения являются одним из основных путей их совершенствования [4|.
Область метрологии, включающая комплексы взаимосвязанных общих правил, требований и норм, а также другие вопросы, нуждающиеся в регламентации и контроле со стороны государства, направленные на обеспечение достоверности и единства измерения и единообразия средств измерений, закрепляется законодательно.
Главными задачами метрологии являются:
создание общей теории измерений, разработка теоретических
основ 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 рабочим средствам измерений;
• разработка метрологических стандартов и нормативно-технических документов;
• создание новых и совершенствование известных принципов и методов измерений;
• разработка методов оценки погрешностей измерений и средств измерений;
• совершенствование методов снижения погрешностей измерений.
Измерения — один из важнейших путей познания природы. Они играют огромную роль в современном обществе. Можно выделить три главные функции измерений в народном хозяйстве:
1) измерения для осуществления технологических процессов производства продукции (т.е. контроля и регулирования), для обеспечения диагностики и лечения в медицине, для защиты от различных видов опасностей для человека, животных, растений и природы, для фиксирования достижений и рекордов и т.п.;
2) измерения для учета продукции народного хозяйства, исчисляющейся по массе, объему, длине, расходу, мощности и т.д.;
3) измерения физических величин, технических параметров, состава и свойств веществ, проводимые при научных исследованиях и испытаниях на земле, в воде, в воздухе и космосе.
Познакомившись с главными функциями измерений, перейдем к нормативной базе метрологии в Российской Федерации. Нормативную базу отечественной метрологии можно представить в виде иерархической лестницы.
1. Конституция Российской Федерации;
2. Федеральный закон РФ «Об обеспечении единства измерений» от 26.06.2008 № 102-ФЗ, Федеральный закон от 23.06.2014 № 254-ФЗ «О внесении изменений в Федеральный закон «Об обеспечении единства измерений».
3. Национальные стандарты (ГОСТ, ГОСТ Р), Системы ГСИ.
4. Правила России (ПР), системы ГСИ, утверждаемые Росстандартом.
5. Рекомендации (гриф «МИ»), системы ГСИ, разрабатываемые метрологическими институтами или государственными метрологическими научными центрами и утверждаемые руководством этих центров.
Государственная система измерений насчитывает более 2400 нормативных документов (стандартов, правил, рекомендаций).
Решительный и жесткий характер Петра I проявился в его Наказе “О сборе в Московской Большой таможне пошлин” (1698 г.): “за найденные непрямые, воровские весы лавки опечатать, товары отобрать и семьей сослать”. Он же в Уставе воинских артикулов (1716 г.) писал: “Наказание за обмер и обвес — возвратить добро втрое, взимать штраф, подвергнуть телесному наказанию”.
В 1745 г. публикуется Указ сенатский о рассылке из камер-коллегии во все города заклейменных мер для хлеба и о взыскании штрафа с того, у кого окажутся неуказанные меры.
В 1858 г. Елизавета Петровна повелела: “Сделать аршины железные верные и с обеих концов заклейменные так, чтобы ни урезать, ни упиловать невозможно было”.
Долгое время метрология была в основном описательной наукой о различных мерах и соотношениях между ними.
Но в процессе развития общества роль измерений возрастала, и с конца XIX в. благодаря прогрессу физики метрология поднялась на качественно новый уровень. Большую роль в становлении метрологии в России сыграл Д. И. Менделеев, руководивший отечественной метрологией в период с 1892 по 1907 г. “Наука начинается… с тех пор, как начинают измерять”, — в этом научном кредо великого ученого выражен, по существу, важнейший принцип развития науки, который не утратил актуальности и в современных условиях.
Развитие естественных наук привело к появлению все новых и новых средств измерений, а они, в свою очередь, стимулировали развитие наук, становясь все более мощным средством исследования. Так, повышение точности измерений плотности воды привело в 1932 г. к открытию тяжелого изотопа водорода — дейтерия. Подобных примеров, которые подтверждают роль измерений как инструмента познания, — множество. Здесь уместно привести высказывание крупнейшего русского физика и электротехника Б. С. Якоби: “Искусство измерений является могущественным оружием, созданным человеческим разумом для проникновения в законы природы и подчинения ее сил нашему господству”.
Известный метролог России профессор Ю. В. Тарбеев [29] отмечает: “Вся история человеческой цивилизации — это история становления и развития измерительной культуры. Это путь, пройденный от сравнений, выполняемых с помощью органов чувств, до научных основ измерений. Таким образом, homo sapiens, “человеку думающему”, общественный и технологический прогресс исторически уготовил еще одну фундаментальную роль — “стать человеком измеряющим “и, следовательно, это история “человека измеряющего”, создавшего в мире физических величин мир измерений”.
Можно выделить следующие главные функции измерений в народном хозяйстве:
1) учет продукции народного хозяйства, исчисляющейся по массе, длине, объему, расходу, мощности, энергии;
2) измерения, проводимые для контроля и регулирования технологических процессов (особенно в автоматизированных производствах) и для обеспечения нормального функционирования транспорта и связи;
3) измерения физических величин, технических параметров, состава и свойств веществ, проводимые при научных исследованиях, испытаниях и контроле подготовленной к поставке продукции в различных отраслях народного хозяйства;
4) достижение надлежащего качества измерений при проведении различных видов экспертиз и сертификации продукции.
От качества СИ зависит эффективность выполнения указанных функций. Приведем несколько примеров, относящихся к первой функции СИ: погрешности эксплуатируемых в настоящее время счетчиков энергии (в среднем 2%) приводят к неопределенности в учете такого же количества электроэнергии; состояние современного весового хозяйства таково, что в процессе взвешивания остается неучтенным около 1% всех измеряемых продуктов производства. Повышение точности измерений позволяет определить недостатки тех или иных технологических процессов и устранить эти недостатки. Все это в конечном счете приводит к повышению качества продукции, экономии энергетических и тепловых ресурсов, а также сырья и материалов.
Например, известно, что урожайность сельскохозяйственных культур в значительной мере зависит от оптимального и заранее устанавливаемого количества вносимых в почву удобрений и расхода воды при поливе и, следовательно, от точности измерений массы удобрений и расхода воды. Повышение технического ресурса подшипников на 40% — результат внедрения эталона отклонения от крутости, а эталон шероховатости позволяет сэкономить 1 кг краски на каждую тонну отливки при ее окраске.
В повседневной жизни каждый трудоспособный гражданин выступает в роли “субъекта метрологического надзора”. Как покупатель он хочет быть уверенным в том, что в магазине или на рынке его не обманут и взвесят требуемое количество товара с той точностью, которая установлена для весов; а на автозаправочной станции в бак его автомашины зальют то количество топлива, какое он заказал, и с той точностью, которая установлена для топливно-раздаточных колонок.
В нашей стране ежедневно производится около 200 млрд измерений, свыше 4 млн человек считают измерения своей профессией. Доля затрат на измерения составляет 10—15% затрат общественного труда, а в отраслях промышленности, производящих сложную технику (электротехника, станкостроение и др.), она достигает 50—70%. О масштабах затрат на получение достоверных результатов измерений свидетельствуют следующие цифры: в 1998 г. стоимость этих работ в России была равна 3,8% величины валового национального продукта (ВПП). В развитых странах эта цифра достигает 6% ВВП. Подсчитано, что число СИ растет прямо пропорционально квадрату прироста промышленной продукции. Это означает, что при увеличении объема промышленной продукции в два раза число СИ может вырасти в четыре раза. В настоящее время в пашей стране насчитывается более 1 млрд СИ.
Только в сфере торговли используется более 170 млн СИ, в том числе: 29% весов; 47% счетчиков электрической энергии; 18% расходомеров; 6% прочих СИ.
Эффект, получаемый в народном хозяйстве благодаря применению СИ, составляет примерно 8—10 руб. на 1 руб. затрат. Качество результатов измерений — это достоверность информации о качестве и количестве товара. По этой причине метрологическое обеспечение технического регулирования предупреждает действия, вводящие в заблуждение приобретателей. Поэтому в каждом техническом регламенте должны быть указаны минимально необходимые требования по обеспечению единства измерений.
Возможности метрологии обеспечить математически выверенную количественную оценку свойств различных объектов, процессов и систем позволяет ей стать информационной основой СМК, построенной по нормам ГОСТ Р 9001-2008.
Таким образом, измерения являются важнейшим инструментом познания объектов и явлений окружающего мира и играют огромную роль в развитии народного хозяйства.
Повышение качества измерений и успешное внедрение новых методов измерений зависят от уровня развития метрологии как науки. Метрология — наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Метрологию подразделяют на теоретическую, прикладную и законодательную. Теоретическая метрология занимается вопросами фундаментальных исследований, созданием системы единиц измерений, физических постоянных, разработкой новых методов измерения. Прикладная (практическая) метрология занимается вопросами практического применения в различных сферах деятельности результатов теоретических исследований в рамках метрологии. Законодательная метрология включает совокупность взаимообусловленных правил и норм, направленных на обеспечение единства измерений, которые возводятся в ранг правовых положений (уполномоченными на то органами государственной власти), имеют обязательную силу и находятся под контролем государства.
Главная цель законодательной метрологии заключается в обеспечении доверия к результатам измерений
Министерство
образования и науки РФ
Московский
государственный
открытый
университет
Горно-нефтяной
факультет
Реферат
на
тему: «Метрология. Основные понятия»
Выполнил:
студент
группы М-807ск
шифр:
807230
Токарев
А.С.
Проверил:
преподаватель
Анохина
В.И.
Содержание
Введение
Что такое метрология?
Что означает «точность» и «неопределенность» в
измерениях?
Что означает прослеживаемость?
Что такое эталон?
В чем разница между калибровкой, поверкой,
регулировкой и градуированием?
Заключение
Список используемой литературы
Введение
Наука начинается тогда,
когда начинают измерять.
Д.И. Менделеев
Проблема
обеспечения единства измерений имеет возраст, сопоставимый с возрастом
человечества. Как только человек стал обменивать или продавать результаты
своего труда, возник вопрос – как велик эквивалент этого труда и как велик
продукт, представленный на обмен или продажу. Для характеристики этих величин
использовались различные свойства продукта – размеры,- как линейные, так и
объемные,- масса или вес, позднее цвет, вкус, состав и т. д. и т. п.
Естественно, что в давние времена еще не существовало развитого математического
аппарата, не было четко сформулированных физических законов, позволяющих
охарактеризовать качество и стоимость товара. Тем не менее проблема
справедливой сбалансированной торговли была актуальна всегда. От этого зависело
благосостояние общества, от этого же возникали войны.
Первыми
средствами обеспечения единства измерений были объекты, которые имеются в
распоряжении человека всегда. Так появились первые меры длины, опирающиеся на
размеры рук и ног человека. На Руси использовались локоть, пядь, сажень, косая
сажень. На Западе – дюйм, фут, сохранившие свое название до сих пор. Поскольку
размеры рук и ног у разных людей были разными, то должное единство измерений не
всегда удавалось обеспечить. Следующим шагом были законодательные акты
различных правителей, предписывающие, например, за единицу длины считать
среднюю длину стопы нескольких людей. Иногда правители просто делали две
зарубки на стене рыночной площади, предписывая всем торговцам делать копии
таких «эталонных мер». В настоящее время такую меру можно видеть на Вандомской площади
в Париже в том месте, где когда-то располагался главный рынок Европы.
По
мере развития человечества и науки, особенно физики и математики, проблему
обеспечения единства измерений стали решать более широко. Появились
государственные службы и хранилища мер, с которыми торговцам в законодательном
порядке предписывалось сравнивать свои меры. Для определения размеров единиц
выбирались размеры объектов, не изменяющиеся со временем. Например, для
определения размера единицы длины измерялся меридиан Земли, для определения
единицы массы измерялась масса литра воды. Единицы времени с давних времен до
настоящего момента связывают с вращением Земли вокруг Солнца и вокруг
собственной оси.
Дальнейший
прогресс в обеспечении единства измерений состоял уже в произвольном выборе
единиц, не связанных с веществами или объектами. Это связано с тем фактом, что
изготовить копию меры (передать размер единицы какой-либо величины) можно с
гораздо более высокой точностью, чем повторно независимо воспроизвести эту
меру. В самом деле, точность определения длины меридиана и деления его на 40
миллионов частей оказывается очень невысокой. Подробно к этому мы вернемся при
определении основных понятий и категорий метрологии. Здесь в кратком
историческом экскурсе интересно вспомнить, что программа измерения длины
парижского меридиана оказалась более полезной в составлении подробных карт
перед наполеоновскими войнами, чем в точном определении единицы длины.
Гигантский
скачок в точности измерений механических величин был совершен при внедрении
лазеров в измерительную технику. Образно говоря, точность средств измерения
стала определяться параметрами отдельного атома. Если выбрать определенный тип
атома, определенный изотоп элемента, поместить атомы в резонатор лазера и
использовать все преимущества, присущие лазерному излучению, то реально
достижимая погрешность воспроизведения единицы длины может сказываться в
тринадцатом-четырнадцатом знаках.
История
развития науки об обеспечении единства измерений может быть прослежена не
только на совершенствовании точности и единообразия определения какой-то одной
единицы. Важным моментом является количество единиц физических величин, их
отнесение к основным или производным, а также исторический аспект образования
дольных и кратных единиц.
По
мере совершенствования физики и математики появилась проблема измерения нового
класса физических величин. Так при развитии теории электричества встал вопрос –
как быть с единицами электромагнитных величин? С одной стороны, новый класс
явлений подсказывал необходимость введения новых единиц и величин. С другой –
исходно была установлена связь между электромагнитными явлениями и эффектами
механическими – законы Кулона и Био-Савара-Лапласа. Точки зрения наиболее
авторитетных ученых по этому поводу также разделились. Некоторые считали, что
«рассмотрение (электромагнитных явлений) будет более плодотворным, если ввести
четвертую, не зависящую от механических единицу» (А. Зоммерфельд). Другие,
напротив, считали различные проявления свойств материи единым целым и были
противниками введения независимых электрических величин и единиц. В результате
в практике появились системы единиц физических величин, имеющие различное число
основных, т. е. произвольно выбранных, физических величин. Подробно на этом мы
остановимся в разделе, посвященном единицам физических величин.
С
исторической точки зрения интересно обратить внимание на сложившуюся практику
образования дольних (более мелких) и кратных (более крупных) единиц физических
величин. В настоящее время мы пользуемся в основном десятичной системой счета,
и действующая международная система единиц физических величин предписывает
образовывать дольные и кратные единицы, домножая размер основной единицы на
множитель, кратный десяти. Тем не менее, история знает использование самых
разнообразных множителей кратности. Например, сажень как мера длины равнялась
трем аршинам, 1 фут равнялся 12 дюймам, 1 аршин – 16 вершкам, 1 пуд – 40
фунтам, 1 золотник – 96 долям, 1 верста – 500 саженям и т.д.
Такая
исторически сложившаяся практика образования дольных и кратных величин
оказалась крайне неудобной. Поэтому при принятии международной системы единиц
СИ на эту проблему обращалось особое внимание. По большому счету десятичная
система оказалась неудобной только при исчислении времени, т. к. единицы
одноименной величины разного размера оказались кратными 12 (соотношение года и
месяца) и 365,25 (соотношение года и суток). Эта кратность обусловлена
скоростью вращения Земли и фазами Луны и является наиболее естественной.
Дальнейшая замена кратности в соотношении час-минута и минута-секунда с 60 на
кратное 10 уже особого смысла не имела. Из других часто употребляемых
физических величин и единиц отступления от десятичной системы сохранилось в
градусной мере угла, когда окружность делится на 360 градусов, а градус на
минуты и секунды.
Совершая
исторический экскурс в метрологию, не следует забывать, что все сказанное в
полной мере относится только к странам-участницам Метрической конвенции. Во
многих странах до сих пор сохраняется своя особая, иногда экзотическая система
физических величин и единиц. Среди этих стран, как это ни странно, находятся
Соединенные Штаты Америки – современная супердержава. Внутри этой страны до сих
пор в обиходе величины и единицы старой Англии. Даже температуру там принято
измерять в градусах Фаренгейта.
В
связи с вышеизложенным знакомство с системами единиц, отличными от системы СИ,
знакомство с различными системами счета единиц при измерениях в настоящее время
носят не только познавательный характер. При расширении международных контактов
может оказаться так, что знание альтернативных систем величин и единиц сослужит
пользователю добрую службу.
При
изложении основополагающих моментов, относящихся к системе СИ, и при
рассмотрении отдельных видов измерений мы иногда будем возвращаться к историческим
корням выбора тех или иных физических величин. Сейчас важно помнить, что
рассматриваемая проблема оптимального выбора физических величин и единиц будет
существовать всегда, так как научно-технический прогресс постоянно
предоставляет новые возможности в практике измерений. Сегодня это лазеры и
синхротронное излучение, и завтра, возможно, появятся новые горизонты,
опирающиеся на «теплую сверхпроводимость» или какое-либо замечательное
достижение человеческой мысли.
Что
такое метрология?
«Метрология
– это наука об измерениях» (Международный словарь основных и общих терминов в
метрологии). Измерения и метрология важны практически во всех аспектах
человеческой деятельности, поскольку они используются везде, начиная от
контроля за производством, измерения качества окружающей среды, оценки здоровья
и безопасности, а также испытания качества материалов, пищевых продуктов и
других товаров для обеспечения честной торговли и защиты потребителя. Приведем
несколько примеров.
Термин
«метрологическая инфраструктура» используется применительно к метрологическим
мощностям страны или региона и подразумевает наличие калибровочных и
проверочных служб, метрологических институтов и лабораторий, а также
организацию и управление метрологической системы.
Термин
«метрология» часто используется в широком смысле, охватывая как теоретические,
так и практические аспекты измерений. Если нужно более конкретное определение,
то можно использовать следующие термины: Общая
метрология: «Часть метрологии, которая занимается
проблемами, общими для всех метрологических вопросов, независимо от измеряемой
величины» (Международный словарь терминов, в законодательной метрологии). Общая
метрология затрагивает общие теоретические и практические проблемы, касающиеся
единиц измерений (т.е. структура системы единиц, или преобразование единиц
измерений в формулах); проблемы ошибок при измерениях; проблемы метрологических
свойств измерительных инструментов, применимых независимо от рассматриваемой
величины. Иногда, вместо термина «общая метрология» используется «научная
метрология».
Существуют
различные специальные области метрологии. Некоторые примеры:
•
Метрология массы, которая связана с измерением масс;
•
Метрология размерности, которая связана с измерениями длин и углов;
•
Метрология температуры, которая касается измерений температур;
•
Химическая метрология, которая связана со всеми видами измерений в химии. Промышленная
метрология связана с измерениями в производстве и с
процедурами управления качеством. Типичные вопросы – это процедуры и интервалы
калибровки, контроль за процессами измерений, и управление измерительным
оборудованием. Данный термин часто используется для описания метрологической
деятельности в промышленности. Законодательная
метрология. Этот термин относится к обязательным
техническим требованиям. Служба законодательной метрологии проверяет выполнение
этих требований для того, чтобы гарантировать корректность измерений в областях
представляющих общественный интерес, таких как, торговля, здравоохранение,
окружающая среда и безопасность. Масштабы охвата законодательной метрологии
зависят от национальных регламентов и могут быть разными в различных странах. Что
означает «точность» и «неопределенность» в измерениях?
Измерение
– это сравнение неизвестного значения величины со стандартной единицей той же
величины и выражение результата в виде доли или кратного числа этой единицы.
Это сравнение, сделанное с помощью измерительного инструмента, никогда не
бывает совершенным. Инструмент является точным до какой-то степени и точность
его самого является определенной только в тех пределах, которые выражаются
количественно как неопределенность. Это можно проиллюстрировать следующим
примером: единица массы, килограмм, определяется его международным эталоном,
металлическим цилиндром, хранящимся в Международном бюро мер и весов (МБМВ).
Копии этого эталона используются в качестве национальных эталонов килограмма.
Копии
не являются совершенными и их массы слегка отличаются от международного
эталона. Предположим, что масса копии X равняется 1 кг + 0,01 мг, поэтому
точность копии – 0,01 мг. Но эта информация не является полной, потому что
разница между значениями массы эталона и его копии была определена
измерительным инструментом (весами), и измерительный процесс также
несовершенен. Всегда имеются какие-то случайные различия (например, маленькие
отклонения в условиях окружающей среды) и некоторое несовершенство
измерительных приборов.
Повторяемые
измерения при явно идентичных условиях будут показывать (слегка) различные
результаты. Вместо 1 кг + 0,01 мг, весы могут показать 1 кг + 0,009 мг или 1 кг
+ 0,011 мг или другие значения. Неопределенность измерения можно оценить
применяя статистические методы, приведенные в «Руководстве по выражению
неопределенности измерения» (GUM). Полный результат массы копии X показывает: т
= 1,000 000 01 кг ± 0,002 мг. Значение неопределенности ± 0,002 мг показывает,
что измерения, сделанные при явно идентичных условиях будут давать результат в
интервале от 1,000 000 01 кг – 0,002 мг до 1,000 000 01 кг + 0,002 мг с
определенной вероятностью (обычно 95%). Предполагается, что 95 из 100 измерений
будут находиться в данном интервале.
Оценка
неопределенности измерения имеет возрастающую важность, потому что она дает
возможность тем, кто использует результаты измерения, оценить надежность этих
результатов. Без такой оценки результаты измерения не могут быть сравнимы ни
между собой, ни с эталонными, приведенными в спецификациях или стандартах.
Предположим, что масса копии X была определена с использованием других весов в
другом месте и получен результат т(Х) = 1,000 000 кг. Означает ли это точно 1
кг? Может быть, чувствительность этих весов не так высока как чувствительность
других? Какая имеется разница между двумя этими результатами? На эти вопросы
нельзя ответить, потому что отсутствует информация по неопределенности.
Для
того, чтобы получить сравнимые результаты из оценок неопределенностей
измерения, эксперты из семи международных организаций, занимающихся метрологией
или стандартизацией, разработали «Руководство по выражению неопределенности
измерения», (GUM). Руководство устанавливает основные правила для оценки и
выражения неопределенности в измерении, которая может быть соблюдена на
различных уровнях точности и в различных областях применения, от магазина до
фундаментальных исследований. Некоторые базовые идеи, заложенные в концепции,
приведены ниже. Однако, как говорится в Руководстве: «Оценка неопределенности –
это ни рутинная, ни чисто математическая задача, она зависит от детальных
знаний природы величины (которую необходимо измерить) и самого измерения».
Правила
учитывают, что неопределенность в результате измерения обычно состоит из
нескольких компонентов, которые могут быть сгруппированы в две категории, в
зависимости .от способа оценки их численных значений. Одна категория состоит из
случайных ошибок, появляющихся из непредсказуемых изменений, которые оказывают
влияние на величину, такие как окружающая температура и давление воздуха.
Другая категория состоит из несовершенным образом скорректированных
систематических эффектов. Руководство описывает математическое рассмотрение
этих двух категорий компонентов, вносящих вклад в неопределенность измерения.
Важно
знать точность измерительных инструментов для того, чтобы сделать правильный
выбор. Точность измерительного инструмента – то есть, его способность давать
меру, близкую к «истинному» значению, представленному стандартом, – часто
выражается как процент пределов измерений. Это значение используют, чтобы
характеризовать класс точности инструмента. Вольтметр класса 1 означает, что ошибка
показания инструмента должна быть не больше, чем 1% измеряемого интервала. Если
измеряемый интервал- от 0 до 100 В, то можно ожидать погрешность в 1 В для
любого инструмента в данном интервале измерений. Измерения в области нижнего
предела измерений будут приводить к более высокой относительной неточности, к
примеру, точность измерения 5 В равняется 20%. Это ставит вопрос о том, является
ли точность в 1 В для измерения 5 В достаточной для применения в нужном случае.
Если
нет, то нужно использовать другой измерительный инструмент или другой интервал
измерений для того же самого инструмента. Предположим, что можно установить
интервал измерений от 0 до 10 В. Точность в этом интервале будет 0,1 В. Тогда
показания прибора в 5 В будут точными до 0,1 В или 2% от 5 В.
В нашей жизни в связи с развитием науки, техники, разработкой новых технологий, эталонов и средств измерений, измерения охватывают более современные физические величины, расширяются диапазоны измерений.
Постоянно растут требования к точности измерений.В таких условиях, чтобы разобраться с вопросами и проблемами измерений, метрологического обеспечения и обеспечения единства измерений, нужен единый научный и законодательный фундамент, обеспечивающий в практической деятельности высокое качество измерений, независимо от того, где и с какой целью они проводятся.
Таким фундаментом является метрология.
Сегодня измерение и метрология пронизывают все сферы жизни. Только родившийся человек, еще не имея имени, сразу становится объектом измерений. В первые минуты жизни к нему применяют средства измерений длины, массы и температуры. В повседневной жизни мы также постоянно сталкиваемся с количественными оценками. Мы оцениваем температуру воздуха на улице, следим за временем, решаем насколько выгодно и рационально практически любое наше действие. С измерениями связана деятельность человека на любом предприятии. Инженеры промышленных предприятий осуществляющие метрологическое обеспечение производства должны иметь полные сведения о возможностях измерительной техники, для решения задач взаимозаменяемости узлов и деталей, контроля производства продукции на всех его жизненных циклах.
Метрология занимает особое место среди технических наук, т.к. метрология впитывает в себя самые последние научные достижения и это выражается в совершенстве ее эталонной базы и способов обработки результатов измерений.
Во-первых, она обеспечивает другие отрасли знания тем необходимым инструментарием, без которого невозможна никакая постановка технического эксперимента, его воспроизводимость.
Во-вторых, именно это последнее свойство является основой всякой, без исключений, технологии. И потому метрология выступает как один из ключевых факторов технического прогресса.
И, наконец, в-третьих, в обществе метрология играет роль одного из регуляторов социально-экономических отношений, принадлежит сфере государственного управления и в силу этого оказывает влияние на социальное развитие в целом.
Развитие современных измерительных технологий и средств измерений, в первую очередь, высокотехнологичных, служит точками роста, как в промышленности, так и в науке и экономике в целом. Так происходит потому, что речь идет о высокотехнологичном производстве, дающем рабочие места для высококвалифицированных, высокообразованных специалистов, специалистов-технарей.
Метрология стала наукой, без знания которой не может обойтись ни один специалист любой отрасли. В настоящее время метрология развивается по нескольким направлениям. Если еще в начале 20-го века под словом метрология понималась наука, главной задачей которой было описание всякого рода мер, применяемых в разных странах, то теперь это понятие приобрело гораздо более широкий научный и практический смысл, расширилось содержание метрологической деятельности и появилось понятие – метрологическое обеспечение производства. Метрологическое обеспечение – установление и применение научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности проводимых измерений.
Сформировались и развиваются три взаимосвязанных раздела метрологии: теоретическая, законодательная и прикладная метрология. Теоретическая метрология – являясь базой измерительной техники, занимается изучением проблем измерений в целом и образующих измерение элементов: средств измерений, физических величин и их единиц, методов и методик измерений, результатов и погрешностей измерений и др. Теория метрологии рассматривается в разделах сайта: Принципы МО, единство измерений, единицы измерений.
На сайте сделана большая подборка литературы по метрологии в которой собраны учебники по метрологии и учебные пособия по метрологии. Законодательная метрология – разрабатывает и внедряет нормы и правила выполнения измерений, устанавливает требования, направленные на достижение единства измерений, порядок разработки и испытаний средств измерений, устанавливает термины и определения в области метрологии, единицы физических величин и правила их применения. Данный раздел метрологии описывается в следующих страницах сайта: законодательная метрология, нормативные документы по метрологии и метрологическому обеспечению. Прикладная (практическая) метрология – освещает вопросы практического применения разработок теоретической и положений законодательной метрологии. И именно с ее помощью осуществляется метрологическое обеспечение производства.
Множество вопросов прикладной метрологии освещается в каталоге статей. В данном каталоге собраны статьи о метрологии как науке, статьи о законодательстве в метрологии, статьи о погрешности и неопределенности измерений, статьи о метрологическом обеспечении производства, статьи о стандартизации и качестве, статьи о средствах измерений и методах измерений, статьи о нанометрологии.
Все материалы сайта ориентированы на практическое решение вопросов метрологами предприятий.
Полезными могут оказаться разделы: Формы документов, полезные программы и другие.
Метрологи могут задать вопрос и поделиться опытом на страницах форума метрологов.
На сайте также представлен бесплатный АРМ «Метролог», а на форуме идет обсуждение и других программ служащих для облегчения работы метрологов.
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра землеустройства и кадастра
МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ
Выполнила: И.А. Климанова
шифр 92754
курс II
группа 120302
Проверила: Н.Ф. Коршунова
Екатеринбург, 2011СОДЕРЖАНИЕ
1. Основы метрологии…………………………………………………………….2
2. Краткая история развития метрологии………………………………………..3
3. Правовые основы метрологической деятельности в Российской Федерации
3.1 Законодательная база метрологии…………………………………….5
3.2 Юридическая ответственность за нарушение нормативных требований по метрологии…………………………………………………9
4. Объекты и методы измерений………………………………………………..10
Список использованной литературы……………………………………………15 1. Основы метрологии
Метрология — наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.
В практической жизни человек всюду имеет дело с измерениями. На каждом шагу встречаются и известны с незапамятных времен измерения таких величин, как длина, объем, вес, время и др.
Велико значение измерений в современном обществе. Они служат не только основой научно-технических знаний, но имеют первостепенное значение для учета материальных ресурсов и планирования, для внутренней и внешней торговли, для обеспечения качества продукции, взаимозаменяемости узлов и деталей и совершенствования технологии, для обеспечения безопасности труда и других видов человеческой деятельности.
Метрология имеет большое значение для прогресса естественных и технических наук, так как повышение точности измерений — одно из средств совершенствования путей познания природы человеком, открытий и практического применения точных знаний.
Для обеспечения научно-технического прогресса метрология должна опережать в своем развитии другие области науки и техники, ибо для каждой из них точные измерения являются одним из основных путей их совершенствования.
Основными задачами метрологии (по ГОСТу 16263-70) являются:
— установление единиц физических величин, государственных эталонов и образцовых средств измерений;
— разработка теории, методов и средств измерений и контроля;
— обеспечение единства измерений и единообразных средств изме-рений;
— разработка методов оценки погрешностей, состояния средств изме-рения и контроля;
— разработка методов передачи размеров единиц от эталонов или об-разцовых средств измерений рабочим средствам измерений. 2. Краткая история развития метрологии
Потребность в измерениях возникла в незапамятные времена. Для этого в первую очередь использовались подручные средства. Например, единица веса драгоценных камней — карат, что в переводе с языков древнего юга-востока означает “семя боба”, “горошина”; единица аптекарского веса — гран, что в переводе с латинского, французского, английского, испанского означает “зерно”. Многие меры имели антропометрическое происхождение или были связаны с конкретной трудовой деятельностью человека. Так, в Киевской Руси применялись в обиходе вершок — длина фаланги указательного пальца; пядь — расстояние между концами вытянутых большого и указательного пальцев; локоть — расстояние от локтя до конца среднего пальца; сажень — от “сягать”, “достигать”, т. е. можно достать; косая сажень — предел того, что можно достать: расстояние от подошвы левой ноги до конца среднего пальца вытянутой вверх правой руки; верста — от “верти”, “поворачивая” плуг обратно, длина борозды.
Древние вавилоняне установили год, месяц, час. Впоследствии 1/86400 часть среднего периода обращения Земли вокруг своей оси получила название секунды.
В Вавилоне во II в. до н. э. время измерялось в минах. Мина равнялась промежутку времени (равному, примерно, двум астрономическим часам), за который из принятых в Вавилоне водяных часов вытекала “мина” воды, масса которой составляла около 500 г. Затем мина сократилась и превратилась в привычную для нас минуту. Со временем водяные часы уступили место песочным, а затем более сложным маятниковым механизмам.
Важнейшим метрологическим документом в России является Двинская грамота Ивана Грозного (1550 г.). В ней регламентированы правила хранения и передачи размера новой меры сыпучих веществ — осьмины. Ее медные экземпляры рассылались по городам на хранение выборным людям — старостам, соцким, целовальникам. С этих мер надлежало сделать клейменые деревянные копии для городских померщиков, а с тех, в свою очередь, — деревянные копии для использования в обиходе.
Метрологической реформой Петра I к обращению в России были допущены английские меры, получившие особенно широкое распространение на флоте и в кораблестроении — футы, дюймы. В 1736 г. по решению Сената была образована Комиссия весов и мер под председательством главного директора Монетного двора графа М.Г. Головкина. В состав комиссии входил Л. Эйлер. В качестве исходных мер комиссия изготовила медный аршин и деревянную сажень, за меру веществ было принято ведро московского Каменномостского питейного двора. Важнейшим шагом, подытожившим работу комисии, было создание русского эталонного фунта.
Идея построения системы измерений на десятичной основе принадлежит французскому астроному Г. Мутону, жившему в XVII в. Позже было предложено принять в качестве единицы длины одну сорокамиллионную часть земного меридиана. На основе единственной единицы — метра — строилась вся система, получившая название метрической.
В России указом “О системе Российских мер и весов” (1835 г.) были утверждены эталоны длины и массы — платиновая сажень и платиновый фунт.
В соответствии с международной Метрологической конвенцией, подписанной в 1875 г., Россия получила платиноиридиевые эталоны единицы массы № 12 и 26 и эталоны единицы длины № 11 и 28, которые были доставлены в новое здание Депо образцовых мер и весов. В 1892 г. управляющим Депо был назначен Д.И. Менделеев, которую он в 1893 г. преобразует в Главную палату мер и весов — одно из первых в мире научно-исследовательских учреждений метрологического профиля.
Метрическая система в России была введена в 1918 г. декретом Совета Народных Комиссаров “О введении Международной метрической системы мер и выесов”. Дальнейшее развитие метрологии в России связано с созданием системы и органов служб стандартизации. Этот вопрос подробно рассмотрен в п. 1.2.
Развитие естественных наук привело к появлению все новых и новых средств измерений, а они, в свою очередь, стимулировали развитие наук, становясь все более мощным средством исследования. 3. Правовые основы метрологической деятельности в Российской Федерации 3.1 Законодательная база метрологии
Основными правовыми актами по метрологии в России являются:
1. Закон РФ “Об обеспечениии единства измерений” от 27.04.93, № 4871-1 в редакции 2003 г.;
2. РМГ 29 — 99. Метрология. Термины и определения.
3. МИ* 2247-93 ГСИ. Метрология. Основные термины и определения.
4. ГОСТ 8.417-81 ГСИ. Единицы физических величин.
5. ПР 50.2.006-94 ГСИ. Поверка средств измерений. Организация и порядок проведения.
6. ПР 50.2.009-94 ГСИ. Порядок проведения испытаний и утверждения типа средств измерения.
7. ПР 50.2.014-94 ГСИ. Аккредитация метрологических служб юридических лиц на право поверки средств измерений.
8. МИ 2277-94 ГСИ. Система сертификации средств измерений. Основные положения и порядок проведения работ.
9. ПР 50.2.002-94 ГСИ. Порядок осуществления государственного метрологического надзора за выпуском, состоянием и применением средств измерений, аттестованными методиками выполнения измерений, эталонами и соблюдением метрологических правил и норм.
10. ПР 50.2.004-94 ГСИ. Порядок осуществления государственного метрологического надзора за количеством фасованных товаров в упаковках любого вида при их расфасовке и продаже.
11. ПР 50.2.017-95 ГСИ. Положение о российской системе калибровки.
12. Постановление Госстандарта России от 8 февраля 1994 г. N 8 “Порядок лицензирования деятельности по изготовлению, ремонту, продаже и прокату средств измерений” (Зарегистрировано в Минюсте РФ 9 декабря 1994 г. N 741)
13. Постановление Госстандарта России от 08.02.94 N 8 “Порядок осуществления государственного метрологического надзора за количеством товаров, отчуждаемых при совершении торговых операций” (зарегистрировано в Минюсте РФ 9 декабря 1994 г. N 740).
14. Постановление Госстандарта РФ от 28 декабря 1995 г. N 95 “Порядок аккредитации метрологических служб юридических лиц на право проведения калибровочных работ” (зарегистрировано в Минюсте РФ 27 февраля 1996 г. N 1037).
15. Постановление Госстандарта РФ от 8 феврвля 1994 г. №8 «Требования к государственным центрам испытаний средств измерений и порядок их аккредитации” (зарегистрировано в Минюсте РФ 13 июля 1994 г. N 635).
16. ИСО 10012-1:1992. „Требования, гарантирующие качество измерительного оборудования. — Часть 1: Система подтверждения метрологической пригодности измерительного оборудования“.
Закон “Об обеспечении единства измерений” осуществляет регулирование отношений, связанных с обеспечением единства измерений в Российской Федерации, в соответствии с Конституцией РФ.
Основные статьи Закона устанавливают:
— основные понятия, применяемые в Законе;
— организационную структуру государственного управления обеспечением единства измерений;
— нормативные документы по обеспечению единства измерений;
— единицы величин и государственные эталоны единиц величин;
— средства и методики измерений.
Закон определяет Государственную метрологическую службу и другие службы обеспечения единства измерений, метрологические службы государственных органов управления и юридических лиц, а также виды и сферы распределения государственного метрологического контроля и надзора.
Отдельные статьи Закона содержат положения по калибровке и сертификации средств измерений и устанавливают виды ответственности за нарушение Закона.
Становление рыночных отношений наложило отпечаток на статью Закона, которая определяет основы деятельности метрологических служб государственных органов управления и юридических лиц. Вопросы деятельности структурных подразделений метрологических служб на предприятиях выведены за рамки законодательной метрологии, а их деятельность стимулируется чисто экономическими методами.
В тех сферах, которые не контролируются государственными органами, создается Российская система калибровки, также направленная на обеспечение единства измерений.
Положение о лицензировании метрологической деятельности направлено на защиту прав потребителей и охватывает сферы, подлежащие государственному метрологическому контролю и надзору. Право выдачи лицензии предоставлено исключительно органам Государственной метрологической службы.
В области государственного метрологического надзора введены новые виды надзора:
— за количеством товаров, отчуждаемых при торговых операциях;
— за количеством товаров в упаковках любого вида при их расфасовке и продаже;
— за банковскими, почтовыми, налоговыми и таможенными операциями;
— за обязательностью сертификации продукции и услуг.
Закон создает условия для взаимодействия с международной и национальными системами измерений зарубежных стран. Это прежде всего необходимо для взаимного признания результатов испытаний, калибровки и сертификации, а также для использования мирового опыта и тенденций в современной метрологии. 3.2 Юридическая ответственность за нарушение нормативных требований по метрологии
Статья 25 Закона “Об обеспечении единства измерений” предусмат-ривает возможность привлечения юридических и физических лиц, а также государственных органов управления РФ, виновных в нарушении положе-ний этого Закона к административной, гражданской-правовой или уголов-ной ответственности в соответствии с действующим законодательством.
Кодексом об административных нарушениях и, в частности, статьей 170 “Нарушение обязательных требований государственных стандартов, правил обязательной сертификации, нарушение требований нормативных документов по обеспечению единства измерений” предусмотрено наложение штрафа от пяти до ста минимальных размеров оплаты труда.
Гражданско-правовая ответственность наступает в ситуациях, когда в результате нарушений метрологических правил и норм юридическим или физическим лицам причинен имущественный или личный ущерб. Причиненный ущерб подлежит возмещению по иску потерпевшего на основании соответствующих актов гражданского законодательства.
К уголовной ответственности нарушители метрологических требований привлекаются в тех случаях, когда имеются признаки состава преступления, предусмотренные Уголовным кодексом.
Дисциплинарная ответственность за нарушение метрологических правил и норм определяется решением администрации (организации) на основании Кодекса законов о труде. 4. Объекты и методы измерений
Измерения являются инструментом познания объектов и явлений окружающего мира. Поэтому метрология относится к науке, занимающейся теорией познания — гноссиологии.
Объектами измерений являются физические и нефизические величины (в экономике, медицине, информатике, управлении качеством и пр.).
Вся современная физика может быть построена на семи основных величинах, которые характеризуют фундаментальные свойства материального мира. К ним относятся: длина, масса, время, сила электрического тока, термодинамическая температура, количество вещества и сила света. С помощью этих и двух дополнительных величин — плоского и телесного углов — введенных исключительно для удобства, образуется все многообразие производных физических величин и обеспечивается описание любых свойств физических объектов и явлений.
Измерения физических величин подразделяются на следующие области и виды:
1. Измерения геометрических величин: длин; отклонений формы поверхностей; параметров сложных поверхностей; углов.
2. Измерения механических величин: массы; силы; крутящих моментов, напряжений и деформаций; параметров движения; твердости.
3. Измерения параметров потока, расхода, уровня, объема веществ: массового и объемного расхода жидкостей в трубопроводах; расхода газов; вместимости; параметров открытых потоков; уровня жидкости.
4. Измерения давлений, вакуумные измерения: избыточного давления; абсолютного давления; переменного давления; вакуума.
5. Физико-химические измерения: вязкости; плотности; содержаний (концентрации) компонентов в твердых, жидких и газообразных веществах; влажности газов, твердых веществ; электрохимические измерения.
6. Теплофизические и температурные измерения: температуры; теплофизических величин.
7. Измерения времени и частоты: методы и средства воспроизведения и хранения единиц и шкал времени и частоты; измерения интервалов времени; измерения частоты периодических процессов; методы и средства передачи размеров единиц времени и частоты.
8. Измерения электрических и магнитных величин на постоянном и переменном токе: силы тока, количества электричества, электродвижущей силы, напряжения, мощности и энергии, угла сдвига фаз; электрического сопротивления, проводимости, емкости, индуктивности и добротности электрических цепей; параметров магнитных полей; магнитных характеристик материалов.
9. Радиоэлектронные измерения: интенсивности сигналов; параметров формы и спектра сигналов; параметров трактов с сосредоточенными и распределенными постоянными; свойств веществ и материалов радиотех-ническими методами; антенные.
10. Измерения акустических величин: акустические — в воздушной среде и в газах; акустические — в водной среде; акустические — в твердых телах; аудиометрия и измерения уровня шума.
11. Оптические и оптико-физические измерения: световые, измерения оптических свойств материалов в видимой области спектра; энергетических параметров некогерентного оптического излучения; энергетических параметров пространственного распределения энергии и мощности непрерывного и импульсного лазерного и квазимонохроматического излучения; спектральных, частотных характерстик, поляризации лазерного излучения; параметров оптических элементов, оптических характеристик материалов; характеристик фотоматериалов и оптической плотности.
12. Измерения ионизирующих излучений и ядерных констант: дозиметрических характеристик ионизирующих излучений; спектральных характеристик ионизирующих излучений; активности радионуклидов; радиометрических характеристик ионизирующих излучений.
В квалиметрии (разделе метрологии), посвященной измерению качества, не принято деление показателей качества на основные и производные. Здесь выделяются единичные и комплексные показатели качества. При этом единичные относятся к одному из свойств продукции, а комплексные характеризуют сразу несколько из свойств.
Размерность измеряемой величины является качественной ее характеристикой и обозначается символом dim, происходящим от слова dimension. Размерность основных физических величин обозначается соответствующими заглавными буквами. Например, для длины, массы и времени dim l = L; dim m = M; dim t = T.
При определении размерности производных величин руководствуются следующими правилами:
1. Размерности левой и правой частей уравнений не могут не совпадать, так как сравниваться между собой могут только одинаковые свойства. Объединяя левые и правые части уравнений, можно прийти к выводу, что алгебраически суммироваться могут только величины, имеющие одинаковые размерности.
2. Алгебра размерностей мультипликативна, т. е. состоит из одного единственного действия — умножения.
2.1. Размерность произведения нескольких величин равна произведению их размерностей. Так, если зависимость между значениями величин Q, А, В, С имеет вид Q = А ? В ? С, то
dim Q = dim A ? dim B ? dim C.
2.2. Размерность частного при делении одной величины на другую равна отношению их размерностей, т. е. если Q = А/В, то
dim Q = dim A/dim B.
2.3. Размерность любой величины, возведенной в некоторую степень, равна ее размерности в той же степени. Так, если Q = Аn, то
dim Q = .
Например, если скорость определять по формуле V = l / t, то dim V = dim l/dim t = L/Т = LТ-1. Если сила по второму закону Ньютона F = m?а, где а = V/ t — ускорение тела, то dim F = dim m ? dim а = МL/Т2 = MТ-2.
Таким образом, всегда можно выразить размерность производной физической величины через размерности основных физических величин с помощью степенного одночлена:
dim Q = LaMbTg …,
где L, М, Т,… — размерности соответствующих основных физических величин; a, b, g, … — показатели размерности. Каждый из показателей размерности может быть положительным или отрицательным, целым или дробным числом, нулем. Если все показатели размерности равны нулю, то такая величина называется безразмерной. Она может быть относительной, определяемой как отношение одноименных величин (например, относительная диэлектрическая проницаемость), и логарифмической, определяемой как логарифм относительной величины (например, логарифм отношения мощностей или напряжений). В гуманитарных науках, искусстве, спорте, квалиметрии, где номеклатура основных величин не определена, теория размерностей не находит пока эффективного применения.
Размер измеряемой величины является количественной ее характеристикой. Получение информации о размере физической или нефи-зической величины является содержанием любого измерения.
Список использованной литературы
1. Димов Ю.В. Метрология, стандартизация и сертификация. Учебник для вузов. 2-е изд. – СПб.: Питер, 2008. – 432 с.
2. Допуски и посадки: Справочник в 2-х ч. – 7-е изд., перераб. и доп. – Л.: Политехника,2006.
3. Кузнецов В.А., Ялунина Г.В. Основы метрологии: Учебное пособие – М.: Изд-во стандартов, 2007, – 280 с.
4. Сергеев А.Г., Латышев М.В., Терегеря В.В. Метрология, стандартизация и сертификация. Учеб. пособие. – Изд. 2-е, перераб. и доп. – М.: Логос, 2009. – 560 с. ил.
5. Федеральный закон РФ «О техническом регулировании» от 27.12.2007 № 184-ФЗ.
6. Закон РФ «Об обеспечении единства измерений» от 27.04.06 №4871-1 (в редакции 2009 г.)
7. ГОСТ 25346-89. Основные нормы взаимозаменяемости. ЕСДП. Общие положения, ряды допусков и основные отклонения.
8. Тартаковский Д.Ф. Ястребов А.С. Метрология, стандартизация и технические средства измерений: Учебник для вузов -.М.: Высш.шк., 2008.
9. Нефедов В.И Метрология и радиоизмерения. М: Высш. шк., 2008.
ЧАСТЬ 1. ОСНОВЫ
МЕТРОЛОГИИ.
1. ВВЕДЕНИЕ
В МЕТРОЛОГИЮ.
1.1. Метрология
— наука об измерениях. Понятие измерения.
Измерения
играют важную роль в жизни человека. С
измерениями он сталкивается на каждом
шагу своей деятельности, начиная от
определения расстояний «на глаз» и
включая контроль сложных технологических
процессов и выполнение сложных научных
исследований.
Развитие
науки тесно связано с процессом в области
измерений. Измерения являются одним уз
важнейших путей познания природы
человеком. Многие научные исследования
сопровождаются измерениями, позволяющими
установить количественные соотношения
и закономерности изучаемых явлений.
Д.И. Менделеев писал, что «наука начинается
с тех пор, как начинают измерять; точная
наука немыслима без измерений».
Потребность
в измерениях возникла очень давно,
поскольку человеку в повседневной жизни
приходилось измерять различные величины:
расстояния, площади земельных участков,
размеры и массу предметов, время и проч.
В начале это были примитивные измерения,
которые зачастую проводились «на глаз».
Выполняя такие измерения, человек
сравнивал наблюдаемые им предметы с
размерами некоторых частей собственного
тела, т.е. использовал их в качестве мер,
воспроизводящих единицы различных
величин. С течением времени люди пришли
к пониманию необходимости создания
специальных вещественных мер для
измерений и стали вводить в практику
измерений «естественные меры».
Дальнейшее
развитие человеческого общества —
развитие торговли, мореходства, появление
промышленности, развитие науки — все
это потребовало создания специальных
технических средств — средств измерения
(СИ) различных величин. Первый в мире
электроизмерительный прибор был создан
в 1745 году русским академиком — Рихманом,
соратником Ломоносова. Это был электрометр
— прибор, для оценки разности потенциалов
при изучении атмосферного электричества.
В дальнейшем, по мере изучения электричества
и особенно после возникновения
электротехники — области науки и
техники, созданной с использованием
явлений электричества для практических
нужд, наблюдается бурное развитие
электроизмерительных приборов различного
назначения.
В
настоящее время существует тесная связь
между уровнем развития производства и
возможностями измерительной техники.
Любое современное производство немыслимо
без точного, объективного контроля
технологических процессов, осуществляемого
с помощью СИ. Улучшение качества продукции
и повышение производительности труда
напрямую связано с тем, насколько хорошо
оснащено и организовано измерительное
хозяйство предприятия. Автоматизация
производства также невозможна без
измерений, т.к. нельзя управлять объектом
не имея достаточной информации о нем.
Сказанное в равной степени относится
и к развитию современной науки, медицины,
торговли, сельского хозяйства и других
отраслей народного хозяйства.
С
другой стороны, достижения науки и
техники в области развития новых
технологий, создания новых материалов
и элементов создают возможности для
развития существующих методов и СИ, так
и для разработки принципиально новых.
Необходимо особо подчеркнуть
распространенность в настоящее время
электрических СИ не только для
электрических величин, но и для
неэлектрических. Это объясняется
достоинством электрических СИ.
Что
же такое измерение ? Во всех случаях
проведения измерений, независимо от
измеряемой величины, метода и используемых
СИ, есть общее, что составляет основу
измерений — это сравнение опытным путем
данной величины с другой, подобной ей,
принятой за единицу. При всяком измерении
мы с помощью эксперимента оцениваем
значение физической величины (ФВ) в виде
некоторого числа принятых для нее
единиц, т.е. находим ее значение. Суть
любого измерения, независимо от его
сложности, заключается в количественном
выражении измеряемой величины на
основании эксперимента путем сопоставления
ее с однородной величиной, принятой за
единицу. Суть измерений можно выразить
общим уравнением измерений:
Q
= n ?
[Q],
(1.1)
где
Q — измеряемая величина, [Q] — единица
измеряемой величины, n — число единиц.
ГОСТ
дает следующее определение: «Измерение
есть нахождение значения ФВ опытным
путем с помощью специальных технических
средств».
Из
этого определения следует, что в любом
измерении всегда присутствуют три
обязательных элемента:
количественная
оценка;
опыт
(эксперимент);
специальные
технические средства (СИ).
Для
измерений характерно то, что они никогда
не являются заключительной частью
какого-либо процесса деятельности.
«Измерение», само по себе, является
процессом, завершающим этапом которого
есть «результат измерения»; а за
«результатом» обязательно следует
какое-то действие, даже если «измерение»
является составной частью «действия»
автоматической установки или системы.
Как правило «результат измерения» при
этом определяет дальнейшее действие —
сделать то или другое, либо продолжить
работу без изменения режима. Измерения
никогда не проводятся ради самих
измерений. Измерения всегда подчинены
какой-то цели. В этом смысле измерения
— подчиненный, вспомогательный процесс.
Но это ни в коей мере не умаляет значения
измерений. Значимость измерений
определяется той целью, ради которой
они выполняются.
На
определенном этапе своего развития
измерения привели к возникновению
метрологии — отрасли науки, изучающей
измерения. Слово «метрология» образовано
от двух греческих слов: «метрон» — мера
и «логос» — учение. Дословный перевод
слова «метрология» — учение о мерах.
Длительное
время метрология оставалась в основном
описательной наукой о различных мерах
и соотношениях между ними. С конца
прошлого века благодаря успехам в
развитии физических наук получила
существенное развитие и метрология.
Большой вклад в развитие и становление,
как науки, внес Д.И. Менделеев. Задачей
метрологии в то время было создание и
хранение эталонов. Сейчас принципы
применения и задачи метрологии значительно
расширились. Метрология (в современном
ее понимании) рассматривается как наука
об измерениях, методах и средствах
обеспечения их единства и способах
достижения требуемой точности. Как
видно из этого определения, понятие
«метрология» базируется на следующих
понятиях:
измерение;
единство
измерений;
точность
измерений.
Единство
измерений — это такое состояние
измерений, при котором их результаты
выражены в указанных единицах и
погрешности известны с заданной
вероятностью. Единство измерений
необходимо для того, чтобы можно было
сопоставить результаты измерений,
выполненных в разных местах, в разное
время, с использованием различных
методов и СИ и т.д.
Точность
измерений характеризует близость их
результатов к истинному значению
измеряемой величины.
Таким
образом, важнейшие (основные) задачи
метрологии — обеспечение единства, и
необходимой точности измерений.
«Метрология»,
как понятие и наука, более широкое, чем
«измерения». Нельзя ставить знак
равенства между измерениями и метрологией.
Метрология, как наука, изучает:
измерения
физических величин (ФВ);
образующие
элементы измерений (СИ, ФВ и их единицы,
методы и методики измерений, результаты
измерений, погрешности измерений и СИ
и т.п.).
1.2. Физическая
величина, единица ФВ.
Понятие
физической величины — одно из наиболее
общих в физике, метрологии и измерительной
технике. Согласно ГОСТу «под физической
величиной понимают свойство, общее в
качественном отношении многим физическим
объектам (системам, их состоянием и
происходящим в них процессам), но в
количественном отношении индивидуальное
для каждого объекта».
Как
правило, термин «величина» применяют
в отношении тех свойств или характеристик
объектов, которые можно оценивать
количественно, т.е. измерять.
Так
все тела обладают массой, температурой.
Но для каждого из них эти свойства
различны. То же самое можно сказать и о
других величинах —электрическом токе,
вязкости жидкости, потоке излучения и
т.п. Индивидуальность в количественном
отношении следует понимать в том смысле,
что свойство может быть для одного
объекта в определенное число раз больше
или меньше, чем для другого.
Существуют
такие свойства и характеристики, которые
мы еще не умеем оценивать количественно,
хоть и стремимся найти способ их
количественной оценки (например: вкус,
запах …). Пока не научились их измерять,
стремятся избегать называть их величинами,
а называют «свойствами».
Для
того, чтобы можно было указать
количественное содержание в каждом
конкретном объекте свойства, отображаемого
физической величиной, используют
понятия: единица ФВ, размер ФВ, значение
ФВ.
Единица
ФВ — это ФВ, которой по определению
придано значение, равное единице. Т.е.
единица ФВ — это такое ее значение,
которое принято за основание (базис)
при сравнении с ним физических величин
такого же рода при их количественной
оценке.
В
тех случаях, когда необходимо указать,
что речь идет не просто о физической
величине, а о количественном содержании
в данном объекте конкретной ФВ, следует
употреблять слово «размер». Часто при
этом размер какой-то конкретной ФВ
пытаются выразить словом «величина»;
говорят: величина давления, величина
скорости, величина напряжения и т.д. Это
неверно, т.к. «давление, скорость,
напряжение …» в правильном понимании
этих слов являются ФВ, а говорить о
«величине» величины нельзя. В приведенных
случаях применение слова «величина»
является лишним, неправильным. Нельзя
говорить «большая величина давления»,
а лучше уж сказать: «большое давление»,
если кого-то с точки зрения стилистики
языка смущает выражение: «давление
большого размера».
Для
количественного определения размера
ФВ используют такое понятие, как «значение
ФВ». Значение ФВ есть количественная
оценка размера конкретной ФВ, выраженная
в виде некоторого числа единиц этой ФВ.
Отвлеченные числа, входящие в «значение
ФВ», принято называть числовым значением.
Для числового значения величины
характерно то, что при использовании
другой единицы оно изменяется, тогда
как размер ФВ остается неизменным.
Таким
образом, между размером и значением ФВ
существует принципиальная разница.
Размер величины существует реально,
независимо от того, знаем мы его или
нет. Размер ФВ не зависит от выбора
единицы измерения, чего нельзя сказать
о значении величины, которое полностью
определяется выбором единицы измерения.
Говорить о значении ФВ можно только
после выполнения измерения, т.е. после
количественной оценки.
1.3. Классификация
средств измерений.
Для
проведения измерений необходимы
специальные технические средства —
средства измерений (СИ).
СИ
– это
техническое средство, которое:
а)
предназначено для выполнения измерений,
б)
имеет нормированные метрологические
характеристики (МХ),
в)
способно воспроизводить и (или) хранить
единицу физической величины (ФВ), размер
которой считается неизменным (в пределах
установленной погрешности) в течение
известного интервала времени.
Приведенное
определение раскрывает суть СИ, которая
заключается в:
– «умении»
хранить (или воспроизводить) единицу
ФВ;
– неизменности
размера хранимой (или воспроизводимой)
ФВ.
Эти
важнейшие свойства и обуславливают
возможность выполнения измерений, т.е.
«делают» техническое средство средством
измерений. Если размер единицы ФВ в
процессе измерений изменяется больше,
чем установлено нормами, то таким СИ
нельзя получить результат с требуемой
точностью. Это означает, что измерять
можно лишь тогда, когда техническое
средство, предназначенное для этой
цели, может определенное время хранить
неизменным размер единицы ФВ.
*Различают
следующие виды СИ: рабочее, основное,
вспомогательное.
Рабочее
СИ–
СИ, предназначенное для измерений, не
связанных с передачей размера единицы
ФВ другим СИ.
Основное
СИ–
СИ той ФВ, значение которой необходимо
получить в соответствии с измерительной
задачей.
Вспомогательное
СИ – средство
измерения величины, влияющей на
метрологические свойства другого СИ
при его применении. Вспомогательные СИ
применяют для контроля значений влияющих
величин с целью поддержания их в заданных
пределах (термометр, барометр, магнитометр
и т.д.).
*По
назначению СИ подразделяют на следующие
категории:
Меры.
Стандартные
образцы.
Измерительные
преобразователи, первичные измерительные
преобразователи, датчики.
Измерительные
приборы.
Измерительные
установки.
Измерительные
системы.
Измерительно-вычислительные
комплексы.
Мера
– это
СИ, предназначенное для воспроизведения
и хранения физической величины заданного
размера (гиря, конденсатор …). Меры,
воспроизводящие физические величины
лишь одного размера, называют однозначными.
Многозначные меры могут воспроизводить
ряд размеров физической величины, часто
даже непрерывно заполняющих некоторый
промежуток между определенными границами
(линейка миллиметровая, магазин
сопротивлений, конденсатор переменной
емкости …)
Стандартный
образец (СО) – образец вещества (или
материала) с известными значениями
одной или более величин, характеризующих
свойство или состав этого вещества
(материала). Применяются СО для контроля
и установления состава и свойств веществ
(материалов) и определения пригодности
их к тому или иному применению или
производству.
Измерительный
преобразователь (ИП) – техническое
средство, служащее для преобразования
измеряемой ФВ в другую величину или в
измерительный сигнал, удобный для
обработки, хранения, дальнейших
преобразований, индикации, передачи по
каналам связи, но
не поддающейся непосредственному
восприятию экспериментатором.
ИП
входит в состав какого-либо прибора,
установки, системы и др.
Первичный
измерительный преобразователь (ПИП) –
измерительный преобразователь, на
который непосредственно воздействует
измеряемая ФВ, т.е. первый преобразователь
в измерительной цепи СИ.
В
одном СИ может быть несколько ПИП.
Датчик
– конструктивно обособленный ПИП,
имеющий нормированные МХ, от которого
поступают измерительные сигналы
(информация).
Измерительный
прибор – это СИ, предназначенное для
получения значений измеряемой ФВ в
форме,
удобной для непосредственного восприятия
экспериментатором.
По
способу индикации различают показывающие
и регистрирующие
приборы. По действию приборы разделяют
на интегрирующие
и суммирующие.
Различают также приборы
прямого действия
и приборы
сравнения, аналоговые
и цифровые
приборы, самопищущие
и печатающие
приборы.
Измерительная
установка – совокупность функционально
объединенных мер, измерительных
преобразователей, измерительных приборов
и др. устройств , предназначенная для
измерения одной или нескольких ФВ и
расположенная в одном месте.
Измерительная
система – совокупность функционально
объединенных мер, измерительных
преобразователей, измерительных
приборов, ЭВМ и др. технических средств,
размещенных в разных точках контролируемого
объекта с целью измерений одной или
нескольких ФВ, свойственных этому
объекту, и выработки измерительных
сигналов в разных целях.
Измерительно-вычислительный
комплекс (ИВК) – функционально объединенная
совокупность СИ, ЭВМ и вспомогательных
устройств, предназначенная для выполнения
в составе измерительной системы
конкретной измерительной задачи.
1.4. Виды
и методы измерений.
Измерения,
как экспериментальные процедуры, весьма
разнообразны, что объясняется множеством
измеряемых ФВ, различным характером их
изменения во времени, различными
требованиями к точности результата и
т.п.
*В
зависимости от способа получения
результата и способа обработки
экспериментальных данных измерения
бывают прямыми, косвенными, совокупными
и совместными.
Прямыми
называют измерения, при которых искомое
значение величины находят непосредственно
из опытных данных. При этом измеряемую
величину сравнивают с мерой измерительными
приборами, градуированными в требуемых
единицах (измерение напряжения
вольтметром, тока — амперметром и т.п.).
При
косвенных измерениях искомое значение
величины находят на основании известной
зависимости между этой величиной и
величинами, подвергаемыми прямым
измерениям.
Косвенные
измерения широко распространены в тех
случаях, когда искомую величину невозможно
или сложно измерить непосредственно
или когда прямое измерение дает
недостаточно точный результат (измерение
электрического сопротивления и мощности
методом амперметра и вольтметра, АЧХ
четырехполюсника по измерениям Uвх
и Uвых).
При косвенном измерении значение
измеряемой величины X получают путем
решения уравнения: X=F(а1,
а2,
а3,
…, аn),
где а1,
а2,
а3,
…, аn
— значения величин, получаемых прямыми
измерениями.
Совокупные
измерения — одновременные измерения
нескольких одноименных величин, при
которых искомое значение величины
находят, решая систему уравнений,
получаемых при прямых измерениях
различных сочетаний этих величин
(например, измерение сопротивлений
резисторов, соединенных треугольником
— путем измерения сопротивлений между
различными вершинами треугольника; по
результатам трех измерений составляют
систему трех уравнений, решая ее
определяют сопротивления резисторов).
Совместные
измерения — одновременные измерения
нескольких неодноимённых величин для
нахождения зависимости между ними.
Пример
совместного измерения: определение
зависимости сопротивления резистора
от температуры Rt=R0(1+At+Bt2)
— измеряя сопротивление резистора при
трех различных температурах, составляют
систему из трех уравнений, решая которую,
находят R0,
A, B.
*Метод
измерений — это способ решения
измерительной задачи; это совокупность
приемов использования принципов и СИ.
Принцип
измерения — это физическое явление
(или совокупность физических величин),
положенное в основу измерений. Например,
измерение массы тела при помощи
взвешивания с использованием силы
тяжести; измерение температуры с
использованием термоэлектрического
эффекта.
Как
уже указывалось, числовое значение ФВ
при измерении получают путем сравнения
ее с известной однородной величиной,
воспроизводимой мерой. В зависимости
от способа применения меры различают
метод непосредственной оценки и метод
сравнения с мерой.
При
методе непосредственной оценки значение
измеряемой величины определяют
непосредственно по отсчетному устройству
измерительного прибора прямого действия,
шкала которого заранее была отградуирована
с помощью многозначной меры.
Метод
сравнения с мерой — методы, при которых
производится сравнение измеряемой
величины и величины, воспроизводимой
мерой. Отличительная особенность метода
сравнения — непосредственное участие
в измерении меры величины, однородной
с измеряемой (измерения веса с помощью
гирь на весах). Группа методов сравнения
с мерой включает в себя: нулевой,
дифференциальный, замещения, совпадения.
Можно выделить три главные функции измерений: 1) учет продукции, исчисляющейся по массе, длине, объему, расходу, мощности, энергии и т. д.; 2) измерения физических величин, технических параметров, характеристик процессов, состава и свойства веществ, проводимые при научных исследованиях, испытаниях и контроле продукции, в медицине, сельском хозяйстве и других отраслях; 3) измерения, проводимые для контроля и регулирования технологических процессов (особенно в автоматизированных производствах) и для обеспечения нормального функционирования транспорта и связи.
Наиболее наглядным является влияние метрологических характеристик измерений при выполнении первой из этих функций. Состояние современного весового хозяйства таково, что в процессе взвешивания остается неучтенным около 1% всех измеряемых продуктов производства. Не учитывается большая доля всех жидких и газообразных продуктов (нефть, газ, бензин и др.). Погрешности эксплуатируемых в настоящее время счетчиков энергии (в среднем 2%) приводят к неопределенности в учете такого же количества электроэнергии. Если эти проценты выразить в абсолютных числах для зерна, нефти, газа, цемента, энергии, чугуна, стали, удобрений и других продуктов добычи и производства, то многие потери, составляющие ежегодно многие сотни миллионов рублей, станут еще более очевидны.
Нарушение единства измерений, недостаточная их точность,невсегда продуманная организация измерений и метрологической службы приносят большие потери при выполнении второй и третьей функций измерений в народном хозяйстве.
В промышленности значительная часть измерений состава вещества все еще производится с помощью количественного или даже качественного анализа. Погрешности этих анализов иногда бывают в несколько раз выше, чем разница между количествам отдельных компонентов, на которую согласно установленной для них рецептуре должны отличаться друг от друга металлы различных марок, химических материалов и т. д. В результате происходит ухудшение качества машин и механизмов или даже возможные тяжелые аварии. Недостаточная точность измерений размеров в станкостроительной промышленности препятствует выпуску прецизионных станков высшего класса, а в свою очередь срок службы, например, подшипников, выпускаемых на недостаточно точном оборудовании, значительно снижается.
В сельском хозяйстве активный контроль температуры и влажности в хранилищах может снизить потери зерна на 1-3%, отход картофеля – на 6-16%, капусты – на 20%. Введение активного контроля физических условий в теплицах позволит поднять производительность труда на 15%, снизить расход тепла на 10-15% и поднять урожайность овощей на 10-15%.
3.3 Метрология и повышение качества. Сертификация
Исключительно велика роль измерений в повышении качества продукции. Она заключается не только в контроле качества с помощью средств измерений, но и в обеспечении необходимых показателей качества в самом технологическом процессе с помощью средств активного контроля.
Активный контроль подразумевает проведение измерений не по окончании изготовления (хранения и т.п.) изделия, во время производства. Это позволяет вмешиваться, при необходимости, в процесс производства с целью корректировки характеристик и останавливать процесс при достижении необходимых результатов. Таким образом, можно исключить потери связанные с браком.
Разработка каждого нового технологического процесса, создание нового изделия должны основываться на уже разработанных и аттестованных методах и средствах измерений.
С увеличением сложности промышленных предприятий число «точек измерения» возросло во много раз. В результате, для измерительных комплексов службы управления отдельными промышленными установками потребовалось выделять отдельные помещения. Количество информации, получаемой от всех измерительных устройств, оказалось настолько большим, что для его переработки необходимо применять ЭВМ.
С каждым годом задача сбора и переработки измерительной информации становится все шире. Современные информационно-вычислительные комплексы позволяют собирать в центральном пункте все существенные результаты измерений, относящихся к одной установке или к цеху или к предприятию в целом. Эта информация, соответственно обработанная, воссоздает картину всех важнейших процессов, происходящих на данном объекте (установке, цехе, предприятии) и дает возможность управлять ими оптимальным образом.
Быстродействие приборов позволяет накопить за короткий промежуток времени большое число результатов измерений. Возможность передачи этих результатов на обработку в вычислительное устройство позволяет снизить погрешности измерений, обусловленные случайными причинами. Быстродействие определяет возможность снижения систематических погрешностей, и исключить влияние непостоянства, скажем, рабочего тока потенциометра на результат измерения. Существенно повышается точность косвенных измерений, так как быстродействие прибора обусловливает уменьшение зависимости измеряемой величины от непостоянства параметров влияющих величин.
В настоящее время стремятся строить измерительные средства по модульно-блочному принципу, согласно которому измерительное средство комплектуется стандартными блоками, выполняющими определенные функции измерительной цепи. Это ускоряет построение измерительных средств, упрощается его эксплуатация и снижается себестоимость их производства.
Все чаще и чаще различные величины измеряются путем их преобразования в унифицированные электрические или пневматические сигналы. Необходимо подчеркнуть, что многие современные измерительные устройства, особенно если они действуют с использованием вспомогательной электрической или пневматической связи, сами по себе содержат цепь регулирования и при их разработке и применении необходимо использовать теорию и технику автоматического регулирования.
В области машиностроения существуют другие проблемы. Такой является уже упоминавшаяся ранее непрерывно растущая потребность в повышении точности измерения во всем диапазоне линейных размеров, особенно в областях измерений малых величин, а также больших расстояний. Качество формы изделия еще не поддается измерению в такой степени, в какой это необходимо.
Автоматизация процесса изготовления предъявляет повышенные метрологические требования к измерительным устройствам, поскольку управление этим производством строится на использовании измерительной информации.
Важнейшей проблемой современного приборостроения является повышение эксплуатационной надежности и в особенности долговременной метрологической надежности средств измерения. Если вообще отказ одного из всего комплекса измерительных устройств, может быть причиной выхода из строя станка или какой-либо другой установки, то «метрологический отказ», т. е. нарушение точности, потеря чувствительности и т. п., остающиеся незамеченными, могут стать причиной выпуска некондиционной продукции, искажений сигналов в линиях связи, появления нарушений в функционировании транспорта, уменьшения эффективности средств обороны и т. д.
Оставаясь незамеченными в течение длительного времени, эти «метрологические отказы» в конце концов, при неблагоприятном стечении обстоятельств, могут стать причиной катастрофы.
Всемирный День Метрологии каждый год отмечают более чем в 80 государствах, которые относятся к мировому метрологическому сообществу. Этот день – 20 мая – годовщина подписания Метрической Конвенции, которое осуществилось в 1875 году. Можно сказать, что этот день – праздник, напоминающий людям о важности и влиянии измерения на всю человеческую повседневную жизнь.
Каждый год Всемирный День Метрологии проводится под новым девизом. В 2012 году девиз праздника звучал так: “Метрология для безопасности”. Планы и проекты на данный год были созданы в соответствии с указанным выше девизом.
Уже стали традицией в этот день обращения к обществу директоров всемирных метрологических организаций – Международное Бюро Мер и Весов (МБМВ) и Международное Бюро Законодательной Метрологии (МБЗМ). В своих выступлениях они формулируют задачи метрологического сообщества в достижении цели девиза.
На официальном сайте Мирового метрологического сообщества, созданном специально для повышения степени осведомленности общества, постоянно обновляется информация об инновациях в измерении во всех сферах деятельности человека – экология, медицина, спорт и т.д.
Значение метрологии в жизни человека
В 2012 году – году метрологии для безопасности было проведено множество тематических мероприятий, которые, кроме всего прочего, призваны разъяснить людям важность метрологии для безопасности нашей жизни. Многие люди даже не подозревают, насколько важна роль метрологии во всех аспектах жизни и деятельности каждого человека.
К примеру, метрология помогает обеспечить надежность и безопасность самолетов, поездов и других видов транспорта. В медицине – дозы лечебного облучения определяются также посредством метрологии.
Правила метрологии основываются на принципе повсеместности, такие, единые для всех государств, правила, помогают избежать недоразумения и всевозможные барьеры технического характера в торговле. Кроме того, метрология призвана помочь в заботе об окружающей среде. Метрология обеспечивает правильное, безопасное функционирование системы здравоохранения.
В настоящее время Россия признана
страной с рыночной экономикой практически
всеми государствами мира. Переход от
авторитарной к рыночной экономике
определил новые условия для деятельности
отечественных фирм, предприятий и
организаций как на внутреннем рынке,
так и на внешнем. Жизнь заставляет
предприятия изучать, знать и применять
в своей практике принятые во всем мире
“правила игры”.
Международное сотрудничество по любым
направлениям и на любом уровне требует
гармонизации этих правил с международными
и национальными нормами.
Знания в области метрологии, стандартизации
и сертификации в одинаковой степени
важны для производителей, специалистов
по реализации продукции, менеджеров,
маркетологов и других специалистов,
которые по-новому, осознанно и цивилизованно
могут использовать возможности и
преимущества метрологии, стандартизации
и сертификации в качестве весомых
составляющих конкурентоспособности
товара.
В условиях новой России Государственный
комитет Российской Федерации по
стандартизации и метрологии (Госстандарт
России) законодательно уполномочен
формировать и реализовывать единую
техническую политику в сфере
стандартизации, метрологии и сертификации. Ведущим направлением деятельности
Госстандарта России является разработка
отечественных, межгосударственных и
международных стандартов. При
проведении этой работы решаются задачи
регулирования вопросов безопасности
продукции и услуг, защиты прав потребителей,
гармонизации стандартов с соответствующими
международными и зарубежными аналогами.
Метрология, стандартизация и сертификация
являются инструментом обеспечения
качества продукции, работ и услуг, а
проблема качества актуальна для всех
стран и особенно для стран с рыночной
экономикой. Достаточно вспомнить как
после Второй мировой войныв разрушенных Германии и Японии умелое
применение методов метрологии и
стандартизации позволило обеспечить
качество продукции и тем самым дать
старт обновлению экономики этих стран.
Рис. 1. Триада видов деятельности по
обеспечению качества
На рис. 1 показано, как в результате
выполнения необходимых работ по
метрологии, стандартизации и сертификации
обеспечивается появление необходимого
качества.
1. Теоретические основы метрологии
Метрология – наука об измерениях,
методах, средствах обеспечения их
единства и способов достижения требуемой
точности. Слово “метрология”
греческого происхождения и образовано
от слов “метрон” – мера и “логос”
– учение. Метрология не только наука, но
и вид деятельности, связанный с
измерениями.
В современной метрологии различают три
ее составляющие –теоретическую,
практическую, или прикладную метрологию
и законодательную.
Теоретическая метрология рассматривает
общие проблемы теории измерений. Она
занимается вопросами фундаментальных
исследований, созданием системы единиц
измерений, физических постоянных,
разработкой новых методов измерения.
Прикладная метрология изучает вопросы
практического применения результатов
теоретических исследований в различных
сферах деятельности. Законодательная
метрология рассматривает требования
и нормы, направленные на обеспечение
единства измерений и единообразия
средств измерений.
Происхождение самого термина «метрология» возводя! к двум греческим словам: metron, что переводится как «мера», и logos – «учение». Бурное развитие метрологии пришлось на конец XX в. Оно неразрывно связано с развитием новых технологий. До этого метрология была лишь описательным научным предметом. Следует отметить и особое участие в создании этой дисциплины Д. И. Менделеева, которому подевалось вплотную заниматься метрологией с 1892 по 1907 гг… когда он руководил этой отраслью российской науки. Таким образом, можно сказать, что метрология изучает:
1) методы и средства для учета продукции по следующим показателям: длине, массе, объему, расходу и мощности;
2) измерения физических величин и технических параметров, а также свойств и состава веществ;
3) измерения для контроля и регулирования технологических процессов.
Выделяют несколько основных направлений метрологии:
1) общая теория измерений;
2) системы единиц физических величин;
3) методы и средства измерений;
4) методы определения точности измерений;
5) основы обеспечения единства измерений, а также основы единообразия средств измерения;
6) эталоны и образцовые средства измерений;
7) методы передачи размеров единиц от образцов средств измерения и от эталонов рабочим средствам измерения. Важным понятием в науке метрологии является единство измерений, под которым подразумевают такие измерения при которых итоговые данные получаются в узаконенных единицах, в то время как погрешности данных измерений получены с заданной вероятностью. Необходимость существования единства измерений вызвана возможностью сопоставления результатов различных измерений, которые были проведены в различных районах, в различные временные отрезки, а также с применением разнообразных методов и средств измерения.
Следует различать также объекты метрологии:
1) единицы измерения величин;
2) средства измерений;
3) методики, используемые для выполнения измерений и т. д.
Метрология включает в себя: во—первых, общие правила, нормы и требования, во—вторых, вопросы, нуждающиеся в государственном регламентировании и контроле. И здесь речь идет о:
1) физических величинах, их единицах, а также об их измерениях;
2) принципах и методах измерений и о средствах измерительной техники;
3) погрешностях средств измерений, методах и средствах обработки результатов измерений с целью исключения погрешностей;
4) обеспечении единства измерений, эталонах, образцах;
5) государственной метрологической службе;
6) методике поверочных схем;
7) рабочих средствах измерений.
В связи с этим задачами метрологии становятся: усовершенствование эталонов, разработка новых методов точных измерений, обеспечение единства и необходимой точности измерений.
Термины
Очень важным фактором правильного понимания дисциплины и науки метрология служат использующиеся в ней термины и понятия. Надо сказать, что, их правильная формулировка и толкование имеют первостепенное значение, так как восприятие каждого человека индивидуально и многие, даже общепринятые термины, понятия и определения он трактует по—своему, используя свой жизненный опыт и следуя своим инстинктам, своему жизненному кредо. А для метрологии очень важно толковать термины однозначно для всех, поскольку такой подход дает возможность оптимально и целиком понимать какое—либо жизненное явление. Для этого был создан специальный стандарт на терминологию, утвержденный на государственном уровне. Поскольку Россия на сегодняшний момент воспринимает себя частью мировой экономической системы, постоянно идет работа над унификацией терминов и понятий, создается международный стандарт. Это, безусловно, помогает облегчить процесс взаимовыгодного сотрудничества с высокоразвитыми зарубежными странами и партнерами. Итак, в метро логии используются следующие величины и их определения:
1) физическая величина,представляющая собой общее свойство в отношении качества большого количества физических объектов, но индивидуальное для каждого в смысле количественного выражения;
2) единица физической величины,что подразумевает под собой физическую величину, которой по условию присвоено числовое значение, равное единице;
3) измерение физических величин,под которым имеется в виду количественная и качественная оценка физического объекта с помощью средств измерения;
4) средство измерения,представляющее собой техническое средство, имеющее нормированные метрологические характеристики. К ним относятся измерительный прибор, мера, измерительная система, измерительный преобразователь, совокупность измерительных систем;
5) измерительный приборпредставляет собой средство измерений, вырабатывающее информационный сигнал в такой форме, которая была бы понятна для непосредственного восприятия наблюдателем;
6) мера– также средство измерений, воспроизводящее физическую величину заданного размера. Например, если прибор аттестован как средство измерений, его шкала с оцифрованными отметками является мерой;
7) измерительная система,воспринимаемая как совокупность средств измерений, которые соединяются друг с другом посредством каналов передачи информации для выполнения одной или нескольких функций;
8) измерительный преобразователь– также средство измерений, которое производит информационный измерительный сигнал в форме, удобной для хранения, просмотра и трансляции по каналам связи, но не доступной для непосредственного восприятия;
9) принцип измерений как совокупность физических явлений,на которых базируются измерения;
10) метод измерений как совокупность приемов и принципов использования технических средств измерений;
11) методика измерений как совокупность методов и правил,разработанных метрологическими научно—исследовательскими организациями, утвержденных в законодательном порядке;
12) погрешность измерений,представляющую собой незначительное различие между истинными значениями физической величины и значениями, полученными в результате измерения;
13) основная единица измерения, понимаемая как единица измерения,имеющая эталон, который официально утвержден;
14) производная единица как единица измерения,связанная с основными единицами на основе математических моделей через энергетические соотношения, не имеющая эталона;
15) эталон,который имеет предназначение для хранения и воспроизведения единицы физической величины, для трансляции ее габаритных параметров нижестоящим по поверочной схеме средствам измерения. Существует понятие «первичный эталон», под которым понимается средство измерений, обладающее наивысшей в стране точностью. Есть понятие «эталон сравнений», трактуемое как средство для связи эталонов межгосударственных служб. И есть понятие «эталон—копия» как средство измерений для передачи размеров единиц образцовым средствам;
16) образцовое средство,под которым понимается средство измерений, предназначенное только для трансляции габаритов единиц рабочим средствам измерений;
17) рабочее средство,понимаемое как «средство измерений для оценки физического явления»;
18) точность измерений,трактуемая как числовое значение физической величины, обратное погрешности, определяет классификацию образцовых средств измерений. По показателю точности измерений средства измерения можно разделить на: наивысшие, высокие, средние, низкие.
Классификация измерений
Классификация средств измерений может проводиться по следующим критериям.
1. По характеристике точностиизмерения делятся на равноточные и неравноточные.
Равноточными измерениямифизической величины называется ряд измерений некоторой величины, сделанных при помощи средств измерений (СИ), обладающих одинаковой точностью, в идентичных исходных условиях.
Неравноточными измерениямифизической величины называется ряд измерений некоторой величины, сделанных при помощи средств измерения, обладающих разной точностью, и (или) в различных исходных условиях.
2. По количеству измеренийизмерения делятся на однократные и многократные.
Однократное измерение– это измерение одной величины, сделанное один раз. Однократные измерения на практике имеют большую погрешность, в связи с этим рекомендуется для уменьшения погрешности выполнять минимум три раза измерения такого типа, а в качестве результата брать их среднее арифметическое.
Многократные измерения– это измерение одной или нескольких величин, выполненное четыре и более раз. Многократное измерение представляет собой ряд однократных измерений. Минимальное число измерений, при котором измерение может считаться многократным, – четыре. Результатом многократного измерения является среднее арифметическое результатов всех проведенных измерений. При многократных измерениях снижается погрешность.
3. По типу изменения величиныизмерения делятся на статические и динамические.
Статические измерения– это измерения постоянной, неизменной физической величины. Примером такой постоянной во времени физической величины может послужить длина земельного участка.
Динамические измерения– это измерения изменяющейся, непостоянной физической величины.
4. По предназначениюизмерения делятся на технические и метрологические.
Технические измерения– это измерения, выполняемые техническими средствами измерений.
Метрологические измерения– это измерения, выполняемые с использованием эталонов.
5. По способу представления результатаизмерения делятся на абсолютные и относительные.
Абсолютные измерения– это измерения, которые выполняются посредством прямого, непосредственного измерения основной величины и (или) применения физической константы.
Относительные измерения– это измерения, при которых вычисляется отношение однородных величин, причем числитель является сравниваемой величиной, а знаменатель – базой сравнения (единицей). Результат измерения будет зависеть от того, какая величина принимается за базу сравнения.
6. По методам получения результатовизмерения делятся на прямые, косвенные, совокупные и совместные.
Прямые измерения– это измерения, выполняемые при помощи мер, т. е. измеряемая величина сопоставляется непосредственно с ее мерой. Примером прямых измерений является измерение величины угла (мера – транспортир).
Косвенные измерения– это измерения, при которых значение измеряемой величины вычисляется при помощи значений, полученных посредством прямых измерений, и некоторой известной зависимости между данными значениями и измеряемой величиной.
Совокупные измерения– это измерения, результатом которых является решение некоторой системы уравнений, которая составлена из уравнений, полученных вследствие измерения возможных сочетаний измеряемых величин.
Совместные измерения– это измерения, в ходе которых измеряется минимум две неоднородные физические величины с целью установления существующей между ними зависимости.
Единицы измерения
В 1960 г. на XI Генеральной конференции по мерам и весам была утверждена Международная система единиц (СИ).
В основе Международной системы единиц лежат семь единиц, охватывающих следующие области науки: механику, электричество, теплоту, оптику, молекулярную физику, термодинамику и химию:
1) единица длины (механика) – метр;
2) единица массы (механика) – килограмм;
3) единица времени (механика) – секунда;
4) единица силы электрического тока (электричество) – ампер;
5) единица термодинамической температуры (теплота) – кельвин;
6) единица силы света (оптика) – кандела;
7) единица количества вещества (молекулярная физика, термодинамика и химия) – моль.
В Международной системе единиц есть дополнительные единицы:
1) единица измерения плоского угла – радиан;
2) единица измерения телесного угла – стерадиан.Таким образом, посредством принятия Международной системы единиц были упорядочены и приведены к одному виду единицы измерения физических величин во всех областях науки и техники, так как все остальные единицы выражаются через семь основных и две дополнительных единицы СИ. Например, количество электричества выражается через секунды и амперы.
Погрешность измерений
В практике использования измерений очень важным показателем становится их точность, которая представляет собой ту степень близости итогов измерения к некоторому действительному значению, которая используется для качественного сравнения измерительных операций. А в качестве количественной оценки, как правило, используется погрешность измерений. Причем чем погрешность меньше, тем считается выше точность.
Согласно закону теории погрешностей, если необходимо повысить точность результата (при исключенной систематической погрешности) в 2 раза, то число измерений необходимо увеличить в 4 раза; если требуется увеличить точность в 3 раза, то число измерений увеличивают в 9 раз и т. д.
Процесс оценки погрешности измерений считается одним из важнейших мероприятий в вопросе обеспечения единства измерений. Естественно, что факторов, оказывающих влияние на точность измерения, существует огромное множество. Следовательно, любая классификация погрешностей измерения достаточно условна, поскольку нередко в зависимости от условий измерительного процесса погрешности могут проявляться в различных группах. При этом согласно принципу зависимости от формы данные выражения погрешности измерения могут быть: абсолютными, относительными и приведенными.
Кроме того, по признаку зависимости от характера проявления, причин возникновения и возможностей устранения погрешности измерений могут быть составляющими При этом различают следующие составляющие погрешности: систематические и случайные.
Систематическая составляющая остается постоянной или меняется при следующих измерениях того же самого параметра.
Случайная составляющая изменяется при повторных изменениях того же самого параметра случайным образом. Обе составляющие погрешности измерения (и случайная, и систематическая) проявляются одновременно. Причем значение случайной погрешности не известно заранее, поскольку оно может возникать из—за целого ряда неуточненных факторов Данный вид погрешности нельзя исключить полностью, однако их влияние можно несколько уменьшить, обрабатывая результаты измерений.
Систематическая погрешность, и в этом ее особенность, если сравнивать ее со случайной погрешностью, которая выявляется вне зависимости от своих источников, рассматривается по составляющим в связи с источниками возникновения.
Составляющие погрешности могут также делиться на: методическую, инструментальную и субъективную. Субъективные систематические погрешности связаны с индивидуальными особенностями оператора. Такая погрешность может возникать из—за ошибок в отсчете показаний или неопытности оператора. В основном же систематические погрешности возникают из—за методической и инструментальной составляющих. Методическая составляющая погрешности определяется несовершенством метода измерения, приемами использования СИ, некорректностью расчетных формул и округления результатов. Инструментальная составляющая появляется из—за собственной погрешности СИ, определяемой классом точности, влиянием СИ на итог и разрешающей способности СИ. Есть также такое понятие, как «грубые погрешности или промахи», которые могут появляться из—за ошибочных действий оператора, неисправности СИ или непредвиденных изменений ситуации измерений. Такие погрешности, как правило, обнаруживаются в процессе рассмотрения результатов измерений с помощью специальных критериев. Важным элементом данной классификации является профилактика погрешности, понимаемая как наиболее рациональный способ снижения погрешности, заключается в устранении влияния какого—либо фактора.
Виды погрешностей
Выделяют следующие виды погрешностей:
1) абсолютная погрешность;
2) относительна погрешность;
3) приведенная погрешность;
4) основная погрешность;
5) дополнительная погрешность;
6) систематическая погрешность;
7) случайная погрешность;
8) инструментальная погрешность;
9) методическая погрешность;
10) личная погрешность;
11) статическая погрешность;
12) динамическая погрешность.
Погрешности измерений классифицируются по следующим признакам.
По способу математического выражения погрешности делятся на абсолютные погрешности и относительные погрешности.
По взаимодействию изменений во времени и входной величины погрешности делятся на статические погрешности и динамические погрешности.
По характеру появления погрешности делятся на систематические погрешности и случайные погрешности.
По характеру зависимости погрешности от влияющих величин погрешности делятся на основные и дополнительные.
По характеру зависимости погрешности от входной величины погрешности делятся на аддитивные и мультипликативные.
Абсолютная погрешность– это значение, вычисляемое как разность между значением величины, полученным в процессе измерений, и настоящим (действительным) значением данной величины.
Абсолютная погрешность вычисляется по следующей формуле:
?Qn =Qn ?Q0,
где AQn – абсолютная погрешность;
Qn – значение некой величины, полученное в процессе измерения;
Q0 – значение той же самой величины, принятое за базу сравнения (настоящее значение).
Абсолютная погрешность меры– это значение, вычисляемое как разность между числом, являющимся номинальным значением меры, и настоящим (действительным) значением воспроизводимой мерой величины.
Относительная погрешность– это число, отражающее степень точности измерения.
Относительная погрешность вычисляется по следующей формуле:
где ?Q – абсолютная погрешность;
Q0 – настоящее (действительное) значение измеряемой величины.
Относительная погрешность выражается в процентах.
Приведенная погрешность– это значение, вычисляемое как отношение значения абсолютной погрешности к нормирующему значению.
Нормирующее значение определяется следующим образом:
1) для средств измерений, для которых утверждено номинальное значение, это номинальное значение принимается за нормирующее значение;
2) для средств измерений, у которых нулевое значение располагается на краю шкалы измерения или вне шкалы, нормирующее значение принимается равным конечному значению из диапазона измерений. Исключением являются средства измерений с существенно неравномерной шкалой измерения;
3) для средств измерений, у которых нулевая отметка располагается внутри диапазона измерений, нормирующее значение принимается равным сумме конечных численных значений диапазона измерений;
4) для средств измерения (измерительных приборов), у которых шкала неравномерна, нормирующее значение принимается равным целой длине шкалы измерения или длине той ее части, которая соответствует диапазону измерения. Абсолютная погрешность тогда выражается в единицах длины.
Погрешность измерения включает в себя инструментальную погрешность, методическую погрешность и погрешность отсчитывания. Причем погрешность отсчитывания возникает по причине неточности определения долей деления шкалы измерения.
Инструментальная погрешность– это погрешность, возникающая из—за допущенных в процессе изготовления функциональных частей средств измерения ошибок.
Методическая погрешность– это погрешность, возникающая по следующим причинам:
1) неточность построения модели физического процесса, на котором базируется средство измерения;
2) неверное применение средств измерений.
Субъективная погрешность– это погрешность возникающая из—за низкой степени квалификации оператора средства измерений, а также из—за погрешности зрительных органов человека, т. е. причиной возникновения субъективной погрешности является человеческий фактор.
Погрешности по взаимодействию изменений во времени и входной величины делятся на статические и динамические погрешности.
Статическая погрешность– это погрешность, которая возникает в процессе измерения постоянной (не изменяющейся во времени) величины.
Динамическая погрешность– это погрешность, численное значение которой вычисляется как разность между погрешностью, возникающей при измерении непостоянной (переменной во времени) величины, и статической погрешностью (погрешностью значения измеряемой величины в определенный момент времени).
По характеру зависимости погрешности от влияющих величин погрешности делятся на основные и дополнительные.
Основная погрешность– это погрешность, полученная в нормальных условиях эксплуатации средства измерений (при нормальных значениях влияющих величин).
Дополнительная погрешность– это погрешность, которая возникает в условиях несоответствия значений влияющих величин их нормальным значениям, или если влияющая величина переходит границы области нормальных значений.
Нормальные условия– это условия, в которых все значения влияющих величин являются нормальными либо не выходят за границы области нормальных значений.
Рабочие условия– это условия, в которых изменение влияющих величин имеет более широкий диапазон (значения влияющих не выходят за границы рабочей области значений).
Рабочая область значений влияющей величины– это область значений, в которой проводится нормирование значений дополнительной погрешности.
По характеру зависимости погрешности от входной величины погрешности делятся на аддитивные и мультипликативные.
Аддитивная погрешность– это погрешность, возникающая по причине суммирования численных значений и не зависящая от значения измеряемой величины, взятого по модулю (абсолютного).
Мультипликативная погрешность– это погрешность, изменяющаяся вместе с изменением значений величины, подвергающейся измерениям.
Надо заметить, что значение абсолютной аддитивной погрешности не связано со значением измеряемой величины и чувствительностью средства измерений. Абсолютные аддитивные погрешности неизменны на всем диапазоне измерений.
Значение абсолютной аддитивной погрешности определяет минимальное значение величины, которое может быть измерено средством измерений.
Значения мультипликативных погрешностей изменяются пропорционально изменениям значений измеряемой величины. Значения мультипликативных погрешностей также пропорциональны чувствительности средства измерений Мультипликативная погрешность возникает из—за воздействия влияющих величин на параметрические характеристики элементов прибора.
Погрешности, которые могут возникнуть в процессе измерений, классифицируют по характеру появления. Выделяют:
1) систематические погрешности;
2) случайные погрешности.
В процессе измерения могут также появиться грубые погрешности и промахи.
Систематическая погрешность– это составная часть всей погрешности результата измерения, не изменяющаяся или изменяющаяся закономерно при многократных измерениях одной и той же величины. Обычно систематическую погрешность пытаются исключить возможными способами (например, применением методов измерения, снижающих вероятность ее возникновения), если же систематическую погрешность невозможно исключить, то ее просчитывают до начала измерений и в результат измерения вносятся соответствующие поправки. В процессе нормирования систематической погрешности определяются границы ее допустимых значений. Систематическая погрешность определяет правильность измерений средств измерения (метрологическое свойство).
Систематические погрешности в ряде случаев можно определить экспериментальным путем. Результат измерений тогда можно уточнить посредством введения поправки.
Способы исключения систематических погрешностей делятся на четыре вида:
1) ликвидация причин и источников погрешностей до начала проведения измерений;
2) устранение погрешностей в процессе уже начатого измерения способами замещения, компенсации погрешностей по знаку, противопоставлениям, симметричных наблюдений;
3) корректировка результатов измерения посредством внесения поправки (устранение погрешности путем вычислений);
4) определение пределов систематической погрешности в случае, если ее нельзя устранить.
Ликвидация причин и источников погрешностей до начала проведения измерений. Данный способ является самым оптимальным вариантом, так как его использование упрощает дальнейший ход измерений (нет необходимости исключать погрешности в процессе уже начатого измерения или вносить поправки в полученный результат).
Для устранения систематических погрешностей в процессе уже начатого измерения применяются различные способы
Способ введения поправокбазируется на знании систематической погрешности и действующих закономерностей ее изменения. При использовании данного способа в результат измерения, полученный с систематическими погрешностями, вносят поправки, по величине равные этим погрешностям, но обратные по знаку.
Способ замещениясостоит в том, что измеряемая величина заменяется мерой, помещенной в те же самые условия, в которых находился объект измерения. Способ замещения применяется при измерении следующих электрических параметров: сопротивления, емкости и индуктивности.
Способ компенсации погрешности по знакусостоит в том, что измерения выполняются два раза таким образом, чтобы погрешность, неизвестная по величине, включалась в результаты измерений с противоположным знаком.
Способ противопоставленияпохож на способ компенсации по знаку. Данный способ состоит в том, что измерения выполняют два раза таким образом, чтобы источник погрешности при первом измерении противоположным образом действовал на результат второго измерения.
Случайная погрешность– это составная часть погрешности результата измерения, изменяющаяся случайно, незакономерно при проведении повторных измерений одной и той же величины. Появление случайной погрешности нельзя предвидеть и предугадать. Случайную погрешность невозможно полностью устранить, она всегда в некоторой степени искажает конечные результаты измерений. Но можно сделать результат измерения более точным за счет проведения повторных измерений. Причиной случайной погрешности может стать, например, случайное изменение внешних факторов, воздействующих на процесс измерения. Случайная погрешность при проведении многократных измерений с достаточно большой степенью точности приводит к рассеянию результатов.
Промахи и грубые погрешности– это погрешности, намного превышающие предполагаемые в данных условиях проведения измерений систематические и случайные погрешности. Промахи и грубые погрешности могут появляться из—за грубых ошибок в процессе проведения измерения, технической неисправности средства измерения, неожиданного изменения внешних условий.
Выбор средств измерений
При выборе средств измерений в первую очередь должно учитываться допустимое значение погрешности для данного измерения, установленное в соответствующих нормативных документах.
В случае, если допустимая погрешность не предусмотрена в соответствующих нормативных документах, предельно допустимая погрешность измерения должна быть регламентирована в технической документации на изделие.
При выборе средств измерения должны также учитываться:
1) допустимые отклонения;
2) методы проведения измерений и способы контроля. Главным критерием выбора средств измерений является соответствие средств измерения требованиям достоверности измерений, получения настоящих (действительных) значений измеряемых величин с заданной точностью при минимальных временных и материальных затратах.
Для оптимального выбора средств измерений необходимо обладать следующими исходными данными:
1) номинальным значением измеряемой величины;
2) величиной разности между максимальным и минимальным значением измеряемой величины, регламентируемой в нормативной документации;
3) сведениями об условиях проведения измерений.
Если необходимо выбрать измерительную систему, руководствуясь критерием точности, то ее погрешность должна вычисляться как сумма погрешностей всех элементов системы (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей), в соответствии с установленным для каждой системы законом.
Предварительный выбор средств измерений производится в соответствии с критерием точности, а при окончательном выборе средств измерений должны учитываться следующие требования:
1) к рабочей области значений величин, оказывающих влияние на процесс измерения;
2) к габаритам средства измерений;
3) к массе средства измерений;
4) к конструкции средства измерений.
При выборе средств измерений необходимо учитывать предпочтительность стандартизированных средств измерений.
19. Методы определения и учета погрешностей
Методы определения и учета погрешностей измерений используются для того, чтобы:
1) на основании результатов измерений получить настоящее (действительное) значение измеряемой величины;
2) определить точность полученных результатов, т. е. степень их соответствия настоящему (действительному) значению.
В процессе определения и учета погрешностей оцениваются:
1) математическое ожидание;
2) среднеквадратическое отклонение.
Точечная оценка параметра(математического ожидания или среднеквадратического отклонения) – это оценка параметра, которая может быть выражена одним числом. Точечная оценка является функцией от экспериментальных данных и, следовательно, сама должна быть случайной величиной, распределенной по закону, зависящему от закона распределения для значений исходной случайной величины Закон распределения значений точечной оценки будет зависеть также от оцениваемого параметра и от числа испытаний (экспериментов).
Точечная оценка бывает следующих видов:
1) несмещенная точечная оценка;
2) эффективная точечная оценка;
3) состоятельная точечная оценка.
Несмещенная точечная оценка– это оценка параметра погрешности, математическое ожидание которой равно этому параметру.
Эффективная точечная о<
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. Я. 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 воспроизводимы на уровне требуемой точности.
В первую очередь для этого необходимо единообразие единиц физических величин и мер, осуществляющих вещественное их воспроизведение. Обеспечение высокой степени единообразия средств измерения является одним из условий обеспечения воспроизводимости результатов измерений. Кроме того, необходимо выполнение ряда других условий для того, чтобы обеспечить все те каче-
ства 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, о методах и средствах, обеспечении их единства, о способах достижения требуемой точности. 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.
При всем множестве и многообразии предприятий, изготовляющих средства измерений, и при еще большем множестве (во много раз большем) предприятий, организаций и учреждений, производящих измерения и использующих их результаты, метрология создала и осуществила систему, направленную на всеобщее обеспечение единства измерений и единообразие средств измерений. Эта система вылилась в единую государственную службу, которая раньше при ограниченной измерительной технике именовалась службой мер и весов. В настоящее время, когда диапазон деятельности этой службы вырос во много раз, она называется метрологической службой страны.
В нашей жизни в связи с развитием науки, техники, разработкой новых технологий, эталонов и средств измерений, измерения охватывают более современные физические величины, расширяются диапазоны измерений. Постоянно растут требования к точности измерений. Велико значение измерений в современном обществе. Они служат не только основой научно-технических знаний, но имеют первостепенное значение для учета материальных ресурсов и планирования, для внутренней и внешней торговли, для обеспечения качества продукции, взаимозаменяемости узлов и деталей и совершенствования технологии, для обеспечения безопасности труда и других видов человеческой деятельности. Измерения и мероприятия по обеспечению их единства и точности объединяются единым понятием “Метрологическое обеспечение”, которое традиционно определяют как деятельность по установлению и применению научных и организационных основ, технических средств, правил и норм для достижения единства и требуемой точности различных способов определения значений физических величин. Единство измерений – комплекс принятых мер, при которых результаты измерений выражены в общепринятых узаконенных единицах величин и погрешности измерений не превышают установленных стандартов с учитываемой вероятностью; Средство измерений – устройство, предназначенное для проведения измерений. Метрологическая служба – субъект управления, контроля и регламентирования видов работ, направленных на обеспечение единства и единообразия измерений. Поверка средства измерений – комплекс мер, исполняемых объектами государственной метрологической службы с целью подтверждения соответствия СИ установленным ГОСТ техническим требованиям. Калибровка средства измерений – комплекс принятых мер, исполняемых для подтверждения и определения действующих значений метрологических характеристик и(или) годности к использованию СИ, не подлежащего обязательному государственному контролю и метрологическому надзору. Велико значение измерений в современном обществе. Они служат не только основой научно-технических знаний, но имеют первостепенное значение для учета материальных ресурсов и планирования, для внутренней и внешней торговли, для обеспечения качества продукции, взаимозаменяемости узлов и деталей и совершенствования технологии, для обеспечения безопасности труда и других видов человеческой деятельности.
ВВЕДЕНИЕ
Международный словарь основных и общих терминов метрологии (У1М, 2-е изд., 1993 г.) дает самое краткое определение метрологии: наука об измерениях. Измерения сопутствуют человеку буквально на каждом шагу. В повседневной жизни мы постоянно сталкиваемся с измерениями расстояний, масс, времени, температуры, давления. В современной промышленности ежедневно выполняются миллиарды измерений. Доля затрат на выполнение измерений составляет в среднем 10-15% от общих трудозатрат, а в электронике – до 60- 80%. О роли измерений в научных исследованиях достаточно определенно высказался Д.И. Менделеев: «Наука начинается… с тех пор, как начинают измерять; точная наука немыслима без меры».
Необычайно широк спектр значений измеряемых величин. Например, расстояния (в метрах) измеряют в диапазоне от Ю-10 до 1017, температуру (в Кельвинах) – от 0,5 до 106, силу электрического тока (в амперах) – от 10~16 до 104, мощность (в ваттах) – от 10 ~15 до 109.
Достигнутая точность уникальных измерительных систем поражает воображение. Лучшие национальные эталоны позволяют измерять интервалы времени с погрешностью, не превышающей Ю-16 с. Это означает, что погрешность всего в одну секунду сможет «набежать» не ранее чем через 300 миллионов лет! Такой уровень точности – не экзотика, он диктуется практическими потребностями общества, в первую очередь задачами развития космической и оборонной техники. Для того, чтобы обеспечить определение координат подвижного объекта (корабля, самолета, автомобиля, человека) в любом географическом районе Земли с погрешностью не более 20-30 метров, на борту спутников навигационных космических систем (ГЛОНАСС в России, NАV5ТАК-СР5 в США) установлены квантовые стандарты частоты с погрешностью Ю-13 сек. Причиной отклонения головной части ракеты на 100 м и более может оказаться ошибка в измерениях температуры топлива всего на 1 -С.
Метрология как область практической деятельности по своей социальной значимости соизмерима с системами связи, транспорта, здравоохранения, торговли, обороны страны. Закон РФ «Об обеспечении единства измерений» направлен «на защиту прав и законных интересов граждан, установленного правопорядка и экономики Российской Федерации от отрицательных последствий недостоверных результатов измерений». Применение приборов, не прошедших поверку, или ошибочных методов измерений ведет к нарушению технологического процесса, браку продукции, потерям ресурсов, появлению предпосылок для аварийных ситуаций. Так, авария на Чернобыльской атомной электростанции в 1986 г. явилась следствием, в числе прочего, плохой организации измерений.
В различных странах были проведены исследования для определения экономической выгоды от затрат на метрологию. Хотя точные обобщающие цифры отсутствуют, нет никакого сомнения в том, что выгода значительно превышает затраты. Например, по данным Национального института стандартов и технологий США, отношение затрат к выгоде за счет повышения точности измерений сопротивления кремния в полупроводниковом производстве составило 1 : 37, а сертификация стандартных образцов для различных сортов бензина, проведенная в соответствии с «Законом о чистом воздухе» (1990) и позволившая в несколько раз снизить неопределенность в измерениях, дала годовой экономический эффект около 40 млн долл.
Реализация современных высоких технологий невозможна без применения всего арсенала метрологии. Такие технологии требуют получения и переработки огромного объема измерительной информации, без которой их внедрение не дает ожидаемого эффекта. Для осуществления измерений широко применяется микропроцессорная техника и персональные компьютеры, а также интеллектуальные средства измерений. Возросшие требования к качеству измерения превратили его в сложную процедуру подготовки и проведения измерительного эксперимента, обработки и интерпретации полученной информации. В связи с большим разнообразием измерений, их классифицируют по областям измерений, т. е. совокупностям видов измерений, свойственных какой-либо области науки или техники и выделяющихся своей спецификой. Принято различать следующие области и виды измерений:
1.Геометрические измерения (длина, угол, отклонения формы и расположения поверхностей, параметры шероховатости поверхности, координаты сложной поверхности).
2.Механические измерения (масса, сила, крутящий момент, напряжение и деформация, твердость, параметры движения) метрологии
3.Измерения расхода, вместимости, уровня, параметров потока.
4.Измерения давления и вакуума.
5.Физико-химические измерения (вязкость, плотность, влажность, концентрация компонентов, кондуктометрия, рН-метрия).
6.Температурные и теплофизические измерения.
7.Измерения времени и частоты.
8.Электрические и магнитные измерения на постоянном и переменном токе (сила тока, напряжение, энергия, мощность, сопротивление, проводимость, емкость, индуктивность, добротность, параметры электрических и магнитных полей, магнитные характеристики материалов).
9.Радиоэлектронные измерения (интенсивность, параметры формы и спектра сигналов, параметры трактов и антенн, измерения свойств веществ и материалов радиотехническими методами).
10.Виброакустические измерения (параметры вибрации, акустические измерения в газовой и жидкой среде и в твердых телах).
11.Оптические и оптико-физические измерения (сила света, освещенность, энергетические параметры излучения, характеристики лазерного излучения, оптические свойства и характеристики материалов).
12.Измерения параметров ионизирующих излучений и ядерных констант.
13.Биологические и биомедицинские измерения.
Границы реального распространения метрологии определяются тем содержанием, которым наполняется термин «измерение», поскольку понятие измерения является фундаментальным для метрологии. Пока же продолжается поиск такой формулировки его определения, которая бы адекватно отражала практически реализуемую в настоящее время систему измерений и была признана большинством метрологов. Иллюстрацией диапазона мнений в подходе к этому вопросу могут служить два примера определения термина «измерение»[5, c.8-11].
1. ЭЛЕМЕНТЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ПРОЦЕДУРЫ
Предметом метрологии является получение качественной или количественной информации о свойствах объектов окружающего мира путем измерения. Само измерение – сложная процедура, включающая целый ряд последовательных и взаимодействующих элементов. Совокупность и порядок следования элементов процедуры измерения конкретного свойства фиксируется в форме соответствующей методики выполнения измерений.
Начальным элементом всякого измерения является его задача (цель). Задача измерения в общем случае – это получение результата измерения требуемого качества, т. е. необходимой точности и достоверности. Формулирование конкретной измерительной задачи осуществляется с учетом априорной (полученной до проведения самого измерения) информации об измеряемом объекте и его свойствах. Анализ априорной информации позволяет заранее определить характеристики предстоящего измерения, в том числе достижимый уровень его точности.
Объект измерения – это реальный объект (тело, вещество, поле, явление, процесс, организм), обладающий некоторой суммой свойств и находящийся в многосторонних и сложных связях с другими объектами. Субъект измерения (человек, выполняющий измерение) принципиально не может охватить объект целиком, во всем многообразии его свойств и связей. Поэтому его взаимодействие с объектом измерения возможно только на основе модели объекта. Модель объекта измерения строится в соответствии с целью измерения на основе априорной информации об объекте и условиях измерения. Построение адекватной модели объекта измерения является сложной и неформализуемой задачей.
Субъект измерения осуществляет выбор принципа, метода и средства измерений. Принцип измерения – научно описанное явление (или эффект), положенное в основу метода измерения. Например, при эталонных измерениях электрического напряжения используется эффект Джозефсона, при измерении температуры – термоэлектрический эффект, при измерении скорости – эффект Доплера.
Метод измерения – логическая последовательность операций, описанная в общем виде и применяемая для сравнения конкретного проявления свойства объекта со шкалой измерений этого свойства. Методы измерений весьма разнообразны и могут быть классифицированы по различным признакам. Зачастую методу измерения дается собственное название не потому, что он существенно отличается от известных методов, а лишь для удобства его практического использования.
Например, методы непосредственной оценки, противопоставления, замещения, совпадения, дифференциальный, нулевой методы являются, по существу, разновидностями метода сравнения с мерой.
Метод измерения реализуется с помощью средств измерений. Средством измерений называют объект, воспроизводящий и (или) хранящий какую-либо часть шкалы измерений (точку, участок) и предназначенный для выполнения измерений. Большинство средств измерений являются конструктивно законченными техническими устройствами. Каждое средство измерений имеет нормированные метрологические характеристики, которые оказывают влияние на качество результатов измерений.
Своеобразным средством измерений является человек, который использует свои органы чувств (осязание, обоняние, зрение, слух, вкус) при органолептических измерениях, интуицию – при эвристических измерениях, знания и навыки – при экспертных измерениях.
Важную роль в процессе измерения играют условия измерения – совокупность влияющих величин, описывающих состояние окружающей среды и средства измерений. К влияющим относят величины, не измеряемые в конкретной процедуре измерения, но оказывающие влияние на его результаты (температура, давление, влажность, электрическое напряжение, частота питания в сети и др.). Отклонение от нормальных условий измерения приводит к изменению состояния объекта измерения и средства измерений, что может вызвать расширение интервала неопределенности (или появление дополнительной погрешности измерения).
Измерительный эксперимент является центральным элементом процедуры измерения. В узком смысле – это отдельное, однократное измерение, которое часто называют наблюдением. В общем случае измерительный эксперимент содержит ряд последовательных операций по взаимодействию средства измерений с измеряемым объектом, получению, преобразованию и индикации сигналов измерительной информации, регистрации результатов наблюдений.
Завершает процедуру измерения операция обработки экспериментальных данных, включающая проведение вычислений согласно принятому алгоритму, получение результата измерения, оценку его точности и достоверности, запись результата и его неопределенности (или погрешности) в соответствии с установленной формой представления[5, c.12-14].
. МЕТРОЛОГИЯ: КРАТКАЯ ИСТОРИЯ
метрология измерение точность испытание
Метрология зародилась в глубокой древности, когда начали формироваться первые государства, стала развиваться торговля, появилась необходимость выполнять достаточно большие общественные работы. Исторические памятники называют её возраст: более 6 тыс.лет.
На каждом этапе своего развития метрология решала собственные задачи, отражающие потребности общества. Вместе с этим менялось и само понятие метрологии. В дословном переводе с древнегреческого (от metron – мера и 1оgos – учение) метрология – наука о мерах. Измерить величину – значит сравнить ее с мерой.
Многие века меры были в основном антропометрическими (связанными с размерами человеческого тела – пядь, фут, локоть, аршин, сажень) или обиходными (например, первоначально дюйм – длина трех ячменных зерен, приставленных одно к другому своими концами). Раздробленность территорий и народов обусловила огромное разнообразие однородных мер. Так, к концу XVIII в. в разных странах существовало (округленно) 280 различных футов (мера длины), 390 фунтов (мера веса, в современном понимании – мера массы). С развитием торговых и финансовых связей отсутствие единых мер стало вызывать существенные трудности.
Важным событием в развитии метрологии стало принятие Национальным собранием Франции в 1790 г. Декрета о реформе мер. В основу декрета легла предложенная группой академиков метрическая система мер. В качестве базовой была выбрана естественная мера длины, равная одной десятимиллионной доле четверти парижского меридиана, которая получила название метра. Второй (производной) мерой системы был назван килограмм, равный массе одного кубического дециметра чистой воды при температуре 4 °С. Были изготовлены (1799) и сданы на хранение в Архив Французской республики платиновые эталоны этих мер, названные «метром Архива» и «килограммом Архива».
К настоящему времени к Метрической конвенции присоединились 48 государств, в которых сосредоточено более 95% мирового промышленного капитала. День подписания Метрической конвенции – 20 мая – предложено отмечать как Всемирный день метрологии.
Главный элемент системы измерений в любой стране – национальный метрологический институт (НМИ). В соответствии с Метрической конвенцией многие промышленные страны учредили или реорганизовали свои НМИ. Первыми среди них стали: Федеральный физико-технический институт РТВ Германии в 1887 г., Главная палата мер и весов России в 1893 г., Национальная физическая лаборатория NРL Великобритании в 1900 г., Национальное бюро стандартов NBS Соединенных Штатов Америки в 1901 г. (ныне – Национальный институт стандартов и технологий NIST). К концу XIX в. все страны, подписавшие Метрическую конвенцию, получили национальные эталоны метра и килограмма, изготовленные в 1889 г. по единой технологии из платино-иридиевого сплава с наивысшей возможной для того времени точностью. Те прототипы этих эталонов, которые оказались наиболее близкими по своим значениям к архивным эталонам 1799 г., получили статус международных эталонов и поступили в Международное бюро мер и весов (МБМВ).
Развитие метрологии в России получило серьезный импульс с назначением в 1892 г. управляющим Дело образцовых мер и весов крупнейшего российского ученого Менделеева. По его инициативе Депо было преобразовано в Главную палату мер и весов (1893), ставшую одним из первых в мире национальных научных учреждений метрологического профиля. Под руководством Д.И. Менделеева была проведена работа по созданию комплекта российских эталонов и их международным сличениям, начала создаваться государственная метрологическая служба, реализована широкая программа научных исследований в области метрологии, проведена подготовка к внедрению в России метрической системы[5, c.15-17].
3. НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ СОВРЕМЕННОЙ МЕТРОЛОГИИ
Отечественные метрологи определяют сегодня метрологию как «науку об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства, а также способах достижения требуемой точности». Обычно метрологию представляют как науку и область деятельности, включающую три взаимосвязанных раздела – теоретический, законодательный и прикладной.
Теоретическая (фундаментальная) метрология изучает и разрабатывает ее научные основы. Предметами этого раздела являются: теория измерений, теория шкал измерений, проблемы установления систем единиц измерений, теория исходных средств измерений (эталонов) и передачи шкал и размеров единиц, вопросы использования в метрологии фундаментальных физических постоянных, теория точности измерений и др.
Законодательная метрология включает взаимосвязанные юридические и научно-технические вопросы, которые нуждаются в регламентации со стороны государства с целью обеспечения единства измерений. Ключевыми документами законодательной метрологии являются: Закон РФ «Об обеспечении единства измерений» и стандарты Государственной системы обеспечения единства измерений – ГСИ. Основными понятиями служат: «методика выполнения измерений»; «испытание, метрологическая аттестация, поверка и сертификация средств измерений»; «метрологический контроль и надзор».
Прикладная (практическая) метрология изучает и разрабатывает вопросы практического применения положений теоретической и законодательной метрологии. Предметом прикладной метрологии являются все виды работ, проводимых в сферах распространения государственного метрологического контроля и надзора.
В последние десятилетия метрология активно проникала в новые для себя области: испытания и контроль качества продукции, кибернетика и системотехника, здравоохранение и охрана окружающей среды, экономика, социология и психология, педагогика и спорт, дегустация (вин, парфюмерных веществ). На очереди измерения таких свойств, как блеск, глянец, запах, вкус и др. Стали измерять не только величины, включенные в международную систему единиц (57), но и те свойства, которые не описываются физическими законами. Более того, некоторые из измеряемых свойств не являются величинами, т. к. носят не количественный, а качественный характер. Появились новые измерительные процедуры (вплоть до «статистических» и «мягких» измерений), которые не укладываются в рамки традиционной («классической») метрологии. В практику измерений начинают входить такие понятия, как «нечеткая логика», «нейронные сети», «генетические алгоритмы». Все большую актуальность приобретает энтропийный подход к оценке точности результатов измерений. Многогранность метрологии определила ее особое место в системе наук. Главной особенностью метрологии, выделяющей ее среди других естественных наук, является большое количество принципиальных положений, установленных условно, по соглашению: выбор системы единиц, размеры основных единиц, методики выполнения измерений, нормальные условия проведения измерений, нормируемые метрологические характеристики средств измерений и др.[5, c. 18-19].
4. ПОНЯТИЕ ОБ ИЗМЕРЕНИЯХ
Метрология – наука об измерениях, о методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Под единством измерений понимают такое их состояние, при котором результаты измерений выражены в узаконенных единицах величин, и погрешности измерений не выходят за установленные границы с заданной вероятностью.
Метрология изучает широкий круг вопросов, связанных как с теоретическими проблемами (теоретическая метрология), так и с задачами практики (практическая метрология). К основным разделам метрологии относятся: общая теория измерений, единицы физических величин и их системы, методы и средства измерений физических величин, методы оценки точности измерений, методы эталонирования. На основании теоретических положений метрологии обоснованы и стандартизированы практические рекомендации, регламентирующие все стороны измерений (законодательная метрология).
Измерениями называют совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, которые обеспечивают нахождение соотношения измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины. Таким образом, измерение можно определить как экспериментальное нахождение отношения измеряемой физической величины к другой однородной величине, принятой за единицу. Физической величиной называют свойство, общее в качественном отношении для многих объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого. Например, физическими величинами являются длина, электрический ток, напряжение, индуктивность. Количественное содержание физической величины, характеризующее конкретный объект, называют размером физической величины (размером величины). Оценку физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц называют значением физической величины.
Для обозначения частных особенностей физических величин применяют термин параметр. Например, конденсатор характеризуют емкостью, а его параметрами можно считать тангенс угла потерь, температурный коэффициент емкости, индуктивность вводов. Иногда параметром называют измеряемую физическую величину – амплитуду, фазу, частоту.
Различают истинное, действительное и измеренное значения физической величины. Истинное значение идеальным образом отражает в количественном и качественном отношениях соответствующие свойства объекта, и его стараются найти при измерениях. Однако из-за неизбежных погрешностей измерений истинное значение получить не удается. На практике вместо истинного значения экспериментально определяют действительное значение, настолько приближающееся к истинному значению, что может быть использовано вместо него. Измеренное значение получают по данным эксперимента.
Средства измерений. Применяемое при измерениях техническое средство, имеющее нормированные метрологические характеристики (характеристики, влияющие на точность измерений), воспроизводящее или хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени, называют средством измерений (СИ). К средствам измерений относят эталоны физических величин, меры, измерительные приборы, измерительные преобразователи, измерительно-вычислительные комплексы (ИВК), компьютерно-измерительные системы (КИС) и измерительные информационные системы (ИИС).
Измерительный преобразователь – структурный элемент более сложных средств измерений, имеющий самостоятельные метрологические характеристики. Различают первичные, передающие, промежуточные и масштабные преобразователи. Первичные преобразователи называют датчиками.
На основе нескольких измерительных преобразователей создают измерительные приборы и меры. Измерительный прибор предназначен для образования выходного сигнала в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Измерительные приборы делят на аналоговые и цифровые. Показание аналогового прибора является непрерывной функцией измеряемой величины. К аналоговым относят, например, приборы со стрелочными указателями. Цифровые приборы вырабатывают дискретный сигнал измерительной информации в цифровой форме.
Мера служит для воспроизведения физической величины заданного размера. Так, мерами являются образцовая катушка индуктивности или образцовый конденсатор переменной емкости.
Измерительно-вычислительные комплексы представляют собой совокупность средств измерений и компьютера, объединенных с помощью устройств сопряжения и предназначенных для измерений, научных исследований и расчетов. Такие же функции выполняют КИС, построенные на основе компьютеров, дополненных измерительными модулями.
Измерительные информационные системы – совокупность функционально объединенных измерительных, вычислительных и других вспомогательных технических средств, предназначенных для получения измерительной информации, ее преобразования и обработки в целях представления в удобном потребителю виде либо автоматического осуществления контроля, диагностики или идентификации. В настоящее время получают распространение приборы, состоящие из персонального компьютера, дополненного платой сбора данных, содержащей аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) и образцовые меры. Плата обеспечивает преобразование аналогового измерительного сигнала в цифровой, функции его обработки выполняет компьютер. Для наглядного отображения информации и удобства управления процессом измерений на экране монитора воспроизводят лицевую панель измерительного прибора со всеми элементами настройки, управление которыми производят с клавиатуры компьютера или «мышью». Такие приборы называются виртуальными.
Классификация измерений. По способу получения результата измерения подразделяют на прямые, косвенные, совместные и совокупные.
Прямыми называются измерения, при которых искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных. К ним, например, относится измерение напряжения с помощью вольтметра или измерение интервала времени с помощью измерителя временных интервалов.
При косвенных измерениях искомое значение У величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами Хь Х2, …, Хп, измеряемыми посредством прямых измерений: У = Х2, …, Хп).
Например, к косвенным относится измерение рассеиваемой на резисторе мощности Р = II2/Я по результатам прямых измерений напряжения [I и сопротивления резистора К.
Совместные измерения состоят в одновременном измерении двух или нескольких неодноименных величин для нахождения зависимости между ними. Примером совместных измерений может служить получение зависимости сопротивления резистора от его температуры.,
Совокупными называют производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомое значение находят из решения системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин. Измерения, связанные с обработкой измерительной информации, такие как косвенные, совместные и совокупные, часто выполняют с помощью средств измерений, сопряженных со средствами вычислительной техники, например ИВК или КИС. В этом случае процессы получения экспериментальных данных и их обработка автоматизированы, на отсчетном устройстве индицируется результат расчетов.
Погрешности измерений. Значение измеряемой величины наблюдатель оценивает по показанию СИ, которое считывают с показывающего (отсчетного) устройства. В цифровых приборах это цифровое табло (дисплей). В приборах со стрелочным указателем показание отсчитывают по ближайшей к стрелке отметке шкалы, иногда учитывают и доли деления, применяя интерполяцию на глаз.
По показанию определяют результат измерений – значение физической величины, полученное путем ее измерения и представленное неименованным или именованным числом. Если измерения произведены один раз (однократно) и их не требуется корректировать, то показание часто принимают за результат измерений.
В общем случае результат может отличаться от показания. Это имеет место при проведении многократных измерений, когда результат измерений получают, например, как среднеарифметическое результатов отдельных измерений. Совместно с результатом измерений в случае необходимости приводят и данные, характеризующие условия проведения эксперимента, а также погрешности.
Отклонение результата измерений х от истинного значения X измеряемой величины называется абсолютной погрешностью результата измерений или абсолютной погрешностью измерений
Практически нет ни одной сферы деятельности, где бы интенсивно не использовались результаты измерений, испытаний и контроля, будь то промышленность, медицина или торговля. Одной из важных задач метрологии является обеспечение единства измерений и достоверности их результатов. Метрология возникла как наука о различных мерах и соотношениях между ним. Само слово «метрология» образовано из двух греческих слов: (iexpov — мера и Хоуо? — мысль, причина, наука, учение, что переводится как учение о мерах.
Метрология — наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Предметом метрологии является извлечение количественной информации о свойствах объектов и процессов с заданной точностью и достоверностью. Метрология, как и любая другая наука, основывается на нескольких основополагающих постулатах, являющихся теоретическим фундаментом метрологии на основе нескольких общих свойств для всего многообразия любых физических объектов.
Постулаты метрологии (от лат. postulaturn — требование, правило, принимаемое без доказательств — как истина):
1) существует определенная измеряемая физическая величина и ее истинное значение;
2) истинное значение измеряемой величины постоянно (и не связано ни с какими временными и другими явлениями);
3) существует несоответствие измеряемой величины исследуемому свойству объекта (т.е. сколько бы мы ни пытались достичь идеального значения измеряемой величины, мы его не получим, и «виной» всему — погрешности методов и средств измерений).
Метрология, являющаяся фундаментальной наукой, стала основой многих технических прикладных наук.
В РМГ 29-99 выделены следующие разделы метрологии:
• теоретическая (фундаментальная) — ее предмет — получение новых знаний и разработка фундаментальных основ метрологии;
• законодательная — раздел метрологии, содержанием которого является установление обязательных технических и юридических требований по применению единиц физических величин, эталонов, методов и средств измерений, направленных на обеспечение единства и необходимой точности измерений в интересах общества;
• практическая (прикладная) — ее предмет — вопросы практического применения разработок теоретической метрологии и положений законодательной метрологии.
В настоящее время объектом метрологии являются все единицы измерений физических величин — механических, электрических, тепловых и др.
Современная научно-техническая революция обусловила дальнейшее мощное развитие метрологии. Эта наука имеет большое значение для прогресса естественных и технических наук, так как повышение точности измерений — один из путей совершенствования познания природы человеком, открытий и практического применения точных знаний. Точные измерения неоднократно позволяют делать фундаментальные открытия. Велико практическое значение метрологии для народного хозяйства страны. Она служит научной основой методов и средств измерений. Под средствами измерений понимают все технические средства, с помощью которых выполняются измерения. Измерительная техника в торговле, промышленности, медицине занимает значительное место среди материальных ресурсов современного общества. Развитие метрологии связано с разработкой новых методов точных измерений, осуществлением мероприятий, обеспечивающих единство и требуемую точность измерений, с усовершенствованием эталонов измерении.
Достижение высокого качества продукции находится в зависимости от метрологического обеспечения технологического процесса. Роль измерений в повышении качества продукции заключается, в частности, в оперативном, поэтапном контроле производства товаров с помощью средств измерений. Недостаточная точность в измерениях, нарушение единства измерений могут привести к большим потерям в народном хозяйстве. Огромный объем измерений в настоящее время возможен только с применением электронных вычислительных систем.
В связи с развитием международной торговли, конкуренции товаров на внешнем и внутреннем рынке, сертификации продукции роль достоверности измерений и единообразия средств измерений возрастает.
Для удовлетворения нужд народного хозяйства страны в проведении измерений на необходимом научно-техническом уровне и создана Государственная метрологическая служба России. Задача метрологической службы — обеспечить достоверность и единство измерений в стране. Метрология должна опережать в своем развитии другие области науки и техники, так как для каждой из них точные измерения являются одним из основных путей их совершенствования [4|.
Область метрологии, включающая комплексы взаимосвязанных общих правил, требований и норм, а также другие вопросы, нуждающиеся в регламентации и контроле со стороны государства, направленные на обеспечение достоверности и единства измерения и единообразия средств измерений, закрепляется законодательно.
Главными задачами метрологии являются:
создание общей теории измерений, разработка теоретических
основ 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 рабочим средствам измерений;
• разработка метрологических стандартов и нормативно-технических документов;
• создание новых и совершенствование известных принципов и методов измерений;
• разработка методов оценки погрешностей измерений и средств измерений;
• совершенствование методов снижения погрешностей измерений.
Измерения — один из важнейших путей познания природы. Они играют огромную роль в современном обществе. Можно выделить три главные функции измерений в народном хозяйстве:
1) измерения для осуществления технологических процессов производства продукции (т.е. контроля и регулирования), для обеспечения диагностики и лечения в медицине, для защиты от различных видов опасностей для человека, животных, растений и природы, для фиксирования достижений и рекордов и т.п.;
2) измерения для учета продукции народного хозяйства, исчисляющейся по массе, объему, длине, расходу, мощности и т.д.;
3) измерения физических величин, технических параметров, состава и свойств веществ, проводимые при научных исследованиях и испытаниях на земле, в воде, в воздухе и космосе.
Познакомившись с главными функциями измерений, перейдем к нормативной базе метрологии в Российской Федерации. Нормативную базу отечественной метрологии можно представить в виде иерархической лестницы.
1. Конституция Российской Федерации;
2. Федеральный закон РФ «Об обеспечении единства измерений» от 26.06.2008 № 102-ФЗ, Федеральный закон от 23.06.2014 № 254-ФЗ «О внесении изменений в Федеральный закон «Об обеспечении единства измерений».
3. Национальные стандарты (ГОСТ, ГОСТ Р), Системы ГСИ.
4. Правила России (ПР), системы ГСИ, утверждаемые Росстандартом.
5. Рекомендации (гриф «МИ»), системы ГСИ, разрабатываемые метрологическими институтами или государственными метрологическими научными центрами и утверждаемые руководством этих центров.
Государственная система измерений насчитывает более 2400 нормативных документов (стандартов, правил, рекомендаций).
Решительный и жесткий характер Петра I проявился в его Наказе “О сборе в Московской Большой таможне пошлин” (1698 г.): “за найденные непрямые, воровские весы лавки опечатать, товары отобрать и семьей сослать”. Он же в Уставе воинских артикулов (1716 г.) писал: “Наказание за обмер и обвес — возвратить добро втрое, взимать штраф, подвергнуть телесному наказанию”.
В 1745 г. публикуется Указ сенатский о рассылке из камер-коллегии во все города заклейменных мер для хлеба и о взыскании штрафа с того, у кого окажутся неуказанные меры.
В 1858 г. Елизавета Петровна повелела: “Сделать аршины железные верные и с обеих концов заклейменные так, чтобы ни урезать, ни упиловать невозможно было”.
Долгое время метрология была в основном описательной наукой о различных мерах и соотношениях между ними.
Но в процессе развития общества роль измерений возрастала, и с конца XIX в. благодаря прогрессу физики метрология поднялась на качественно новый уровень. Большую роль в становлении метрологии в России сыграл Д. И. Менделеев, руководивший отечественной метрологией в период с 1892 по 1907 г. “Наука начинается… с тех пор, как начинают измерять”, — в этом научном кредо великого ученого выражен, по существу, важнейший принцип развития науки, который не утратил актуальности и в современных условиях.
Развитие естественных наук привело к появлению все новых и новых средств измерений, а они, в свою очередь, стимулировали развитие наук, становясь все более мощным средством исследования. Так, повышение точности измерений плотности воды привело в 1932 г. к открытию тяжелого изотопа водорода — дейтерия. Подобных примеров, которые подтверждают роль измерений как инструмента познания, — множество. Здесь уместно привести высказывание крупнейшего русского физика и электротехника Б. С. Якоби: “Искусство измерений является могущественным оружием, созданным человеческим разумом для проникновения в законы природы и подчинения ее сил нашему господству”.
Известный метролог России профессор Ю. В. Тарбеев [29] отмечает: “Вся история человеческой цивилизации — это история становления и развития измерительной культуры. Это путь, пройденный от сравнений, выполняемых с помощью органов чувств, до научных основ измерений. Таким образом, homo sapiens, “человеку думающему”, общественный и технологический прогресс исторически уготовил еще одну фундаментальную роль — “стать человеком измеряющим “и, следовательно, это история “человека измеряющего”, создавшего в мире физических величин мир измерений”.
Можно выделить следующие главные функции измерений в народном хозяйстве:
1) учет продукции народного хозяйства, исчисляющейся по массе, длине, объему, расходу, мощности, энергии;
2) измерения, проводимые для контроля и регулирования технологических процессов (особенно в автоматизированных производствах) и для обеспечения нормального функционирования транспорта и связи;
3) измерения физических величин, технических параметров, состава и свойств веществ, проводимые при научных исследованиях, испытаниях и контроле подготовленной к поставке продукции в различных отраслях народного хозяйства;
4) достижение надлежащего качества измерений при проведении различных видов экспертиз и сертификации продукции.
От качества СИ зависит эффективность выполнения указанных функций. Приведем несколько примеров, относящихся к первой функции СИ: погрешности эксплуатируемых в настоящее время счетчиков энергии (в среднем 2%) приводят к неопределенности в учете такого же количества электроэнергии; состояние современного весового хозяйства таково, что в процессе взвешивания остается неучтенным около 1% всех измеряемых продуктов производства. Повышение точности измерений позволяет определить недостатки тех или иных технологических процессов и устранить эти недостатки. Все это в конечном счете приводит к повышению качества продукции, экономии энергетических и тепловых ресурсов, а также сырья и материалов.
Например, известно, что урожайность сельскохозяйственных культур в значительной мере зависит от оптимального и заранее устанавливаемого количества вносимых в почву удобрений и расхода воды при поливе и, следовательно, от точности измерений массы удобрений и расхода воды. Повышение технического ресурса подшипников на 40% — результат внедрения эталона отклонения от крутости, а эталон шероховатости позволяет сэкономить 1 кг краски на каждую тонну отливки при ее окраске.
В повседневной жизни каждый трудоспособный гражданин выступает в роли “субъекта метрологического надзора”. Как покупатель он хочет быть уверенным в том, что в магазине или на рынке его не обманут и взвесят требуемое количество товара с той точностью, которая установлена для весов; а на автозаправочной станции в бак его автомашины зальют то количество топлива, какое он заказал, и с той точностью, которая установлена для топливно-раздаточных колонок.
В нашей стране ежедневно производится около 200 млрд измерений, свыше 4 млн человек считают измерения своей профессией. Доля затрат на измерения составляет 10—15% затрат общественного труда, а в отраслях промышленности, производящих сложную технику (электротехника, станкостроение и др.), она достигает 50—70%. О масштабах затрат на получение достоверных результатов измерений свидетельствуют следующие цифры: в 1998 г. стоимость этих работ в России была равна 3,8% величины валового национального продукта (ВПП). В развитых странах эта цифра достигает 6% ВВП. Подсчитано, что число СИ растет прямо пропорционально квадрату прироста промышленной продукции. Это означает, что при увеличении объема промышленной продукции в два раза число СИ может вырасти в четыре раза. В настоящее время в пашей стране насчитывается более 1 млрд СИ.
Только в сфере торговли используется более 170 млн СИ, в том числе: 29% весов; 47% счетчиков электрической энергии; 18% расходомеров; 6% прочих СИ.
Эффект, получаемый в народном хозяйстве благодаря применению СИ, составляет примерно 8—10 руб. на 1 руб. затрат.
Качество результатов измерений — это достоверность информации о качестве и количестве товара. По этой причине метрологическое обеспечение технического регулирования предупреждает действия, вводящие в заблуждение приобретателей. Поэтому в каждом техническом регламенте должны быть указаны минимально необходимые требования по обеспечению единства измерений.
Возможности метрологии обеспечить математически выверенную количественную оценку свойств различных объектов, процессов и систем позволяет ей стать информационной основой СМК, построенной по нормам ГОСТ Р 9001-2008.
Таким образом, измерения являются важнейшим инструментом познания объектов и явлений окружающего мира и играют огромную роль в развитии народного хозяйства.
Повышение качества измерений и успешное внедрение новых методов измерений зависят от уровня развития метрологии как науки.
Метрология — наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Метрологию подразделяют на теоретическую, прикладную и законодательную.
Теоретическая метрология занимается вопросами фундаментальных исследований, созданием системы единиц измерений, физических постоянных, разработкой новых методов измерения.
Прикладная (практическая) метрология занимается вопросами практического применения в различных сферах деятельности результатов теоретических исследований в рамках метрологии.
Законодательная метрология включает совокупность взаимообусловленных правил и норм, направленных на обеспечение единства измерений, которые возводятся в ранг правовых положений (уполномоченными на то органами государственной власти), имеют обязательную силу и находятся под контролем государства.
Главная цель законодательной метрологии заключается в обеспечении доверия к результатам измерений
Министерство
образования и науки РФ
Московский
государственный
открытый
университет
Горно-нефтяной
факультет
Реферат
на
тему: «Метрология. Основные понятия»
Выполнил:
студент
группы М-807ск
шифр:
807230
Токарев
А.С.
Проверил:
преподаватель
Анохина
В.И.
Содержание
Введение
Что такое метрология?
Что означает «точность» и «неопределенность» в
измерениях?
Что означает прослеживаемость?
Что такое эталон?
В чем разница между калибровкой, поверкой,
регулировкой и градуированием?
Заключение
Список используемой литературы
Введение
Наука начинается тогда,
когда начинают измерять.
Д.И. Менделеев
Проблема
обеспечения единства измерений имеет возраст, сопоставимый с возрастом
человечества. Как только человек стал обменивать или продавать результаты
своего труда, возник вопрос – как велик эквивалент этого труда и как велик
продукт, представленный на обмен или продажу. Для характеристики этих величин
использовались различные свойства продукта – размеры,- как линейные, так и
объемные,- масса или вес, позднее цвет, вкус, состав и т. д. и т. п.
Естественно, что в давние времена еще не существовало развитого математического
аппарата, не было четко сформулированных физических законов, позволяющих
охарактеризовать качество и стоимость товара. Тем не менее проблема
справедливой сбалансированной торговли была актуальна всегда. От этого зависело
благосостояние общества, от этого же возникали войны.
Первыми
средствами обеспечения единства измерений были объекты, которые имеются в
распоряжении человека всегда. Так появились первые меры длины, опирающиеся на
размеры рук и ног человека. На Руси использовались локоть, пядь, сажень, косая
сажень. На Западе – дюйм, фут, сохранившие свое название до сих пор. Поскольку
размеры рук и ног у разных людей были разными, то должное единство измерений не
всегда удавалось обеспечить. Следующим шагом были законодательные акты
различных правителей, предписывающие, например, за единицу длины считать
среднюю длину стопы нескольких людей. Иногда правители просто делали две
зарубки на стене рыночной площади, предписывая всем торговцам делать копии
таких «эталонных мер». В настоящее время такую меру можно видеть на Вандомской площади
в Париже в том месте, где когда-то располагался главный рынок Европы.
По
мере развития человечества и науки, особенно физики и математики, проблему
обеспечения единства измерений стали решать более широко. Появились
государственные службы и хранилища мер, с которыми торговцам в законодательном
порядке предписывалось сравнивать свои меры. Для определения размеров единиц
выбирались размеры объектов, не изменяющиеся со временем. Например, для
определения размера единицы длины измерялся меридиан Земли, для определения
единицы массы измерялась масса литра воды. Единицы времени с давних времен до
настоящего момента связывают с вращением Земли вокруг Солнца и вокруг
собственной оси.
Дальнейший
прогресс в обеспечении единства измерений состоял уже в произвольном выборе
единиц, не связанных с веществами или объектами. Это связано с тем фактом, что
изготовить копию меры (передать размер единицы какой-либо величины) можно с
гораздо более высокой точностью, чем повторно независимо воспроизвести эту
меру. В самом деле, точность определения длины меридиана и деления его на 40
миллионов частей оказывается очень невысокой. Подробно к этому мы вернемся при
определении основных понятий и категорий метрологии. Здесь в кратком
историческом экскурсе интересно вспомнить, что программа измерения длины
парижского меридиана оказалась более полезной в составлении подробных карт
перед наполеоновскими войнами, чем в точном определении единицы длины.
Гигантский
скачок в точности измерений механических величин был совершен при внедрении
лазеров в измерительную технику. Образно говоря, точность средств измерения
стала определяться параметрами отдельного атома. Если выбрать определенный тип
атома, определенный изотоп элемента, поместить атомы в резонатор лазера и
использовать все преимущества, присущие лазерному излучению, то реально
достижимая погрешность воспроизведения единицы длины может сказываться в
тринадцатом-четырнадцатом знаках.
История
развития науки об обеспечении единства измерений может быть прослежена не
только на совершенствовании точности и единообразия определения какой-то одной
единицы. Важным моментом является количество единиц физических величин, их
отнесение к основным или производным, а также исторический аспект образования
дольных и кратных единиц.
По
мере совершенствования физики и математики появилась проблема измерения нового
класса физических величин. Так при развитии теории электричества встал вопрос –
как быть с единицами электромагнитных величин? С одной стороны, новый класс
явлений подсказывал необходимость введения новых единиц и величин. С другой –
исходно была установлена связь между электромагнитными явлениями и эффектами
механическими – законы Кулона и Био-Савара-Лапласа. Точки зрения наиболее
авторитетных ученых по этому поводу также разделились. Некоторые считали, что
«рассмотрение (электромагнитных явлений) будет более плодотворным, если ввести
четвертую, не зависящую от механических единицу» (А. Зоммерфельд). Другие,
напротив, считали различные проявления свойств материи единым целым и были
противниками введения независимых электрических величин и единиц. В результате
в практике появились системы единиц физических величин, имеющие различное число
основных, т. е. произвольно выбранных, физических величин. Подробно на этом мы
остановимся в разделе, посвященном единицам физических величин.
С
исторической точки зрения интересно обратить внимание на сложившуюся практику
образования дольних (более мелких) и кратных (более крупных) единиц физических
величин. В настоящее время мы пользуемся в основном десятичной системой счета,
и действующая международная система единиц физических величин предписывает
образовывать дольные и кратные единицы, домножая размер основной единицы на
множитель, кратный десяти. Тем не менее, история знает использование самых
разнообразных множителей кратности. Например, сажень как мера длины равнялась
трем аршинам, 1 фут равнялся 12 дюймам, 1 аршин – 16 вершкам, 1 пуд – 40
фунтам, 1 золотник – 96 долям, 1 верста – 500 саженям и т.д.
Такая
исторически сложившаяся практика образования дольных и кратных величин
оказалась крайне неудобной. Поэтому при принятии международной системы единиц
СИ на эту проблему обращалось особое внимание. По большому счету десятичная
система оказалась неудобной только при исчислении времени, т. к. единицы
одноименной величины разного размера оказались кратными 12 (соотношение года и
месяца) и 365,25 (соотношение года и суток). Эта кратность обусловлена
скоростью вращения Земли и фазами Луны и является наиболее естественной.
Дальнейшая замена кратности в соотношении час-минута и минута-секунда с 60 на
кратное 10 уже особого смысла не имела. Из других часто употребляемых
физических величин и единиц отступления от десятичной системы сохранилось в
градусной мере угла, когда окружность делится на 360 градусов, а градус на
минуты и секунды.
Совершая
исторический экскурс в метрологию, не следует забывать, что все сказанное в
полной мере относится только к странам-участницам Метрической конвенции. Во
многих странах до сих пор сохраняется своя особая, иногда экзотическая система
физических величин и единиц. Среди этих стран, как это ни странно, находятся
Соединенные Штаты Америки – современная супердержава. Внутри этой страны до сих
пор в обиходе величины и единицы старой Англии. Даже температуру там принято
измерять в градусах Фаренгейта.
В
связи с вышеизложенным знакомство с системами единиц, отличными от системы СИ,
знакомство с различными системами счета единиц при измерениях в настоящее время
носят не только познавательный характер. При расширении международных контактов
может оказаться так, что знание альтернативных систем величин и единиц сослужит
пользователю добрую службу.
При
изложении основополагающих моментов, относящихся к системе СИ, и при
рассмотрении отдельных видов измерений мы иногда будем возвращаться к историческим
корням выбора тех или иных физических величин. Сейчас важно помнить, что
рассматриваемая проблема оптимального выбора физических величин и единиц будет
существовать всегда, так как научно-технический прогресс постоянно
предоставляет новые возможности в практике измерений. Сегодня это лазеры и
синхротронное излучение, и завтра, возможно, появятся новые горизонты,
опирающиеся на «теплую сверхпроводимость» или какое-либо замечательное
достижение человеческой мысли.
Что
такое метрология?
«Метрология
– это наука об измерениях» (Международный словарь основных и общих терминов в
метрологии). Измерения и метрология важны практически во всех аспектах
человеческой деятельности, поскольку они используются везде, начиная от
контроля за производством, измерения качества окружающей среды, оценки здоровья
и безопасности, а также испытания качества материалов, пищевых продуктов и
других товаров для обеспечения честной торговли и защиты потребителя. Приведем
несколько примеров.
Термин
«метрологическая инфраструктура» используется применительно к метрологическим
мощностям страны или региона и подразумевает наличие калибровочных и
проверочных служб, метрологических институтов и лабораторий, а также
организацию и управление метрологической системы.
Термин
«метрология» часто используется в широком смысле, охватывая как теоретические,
так и практические аспекты измерений. Если нужно более конкретное определение,
то можно использовать следующие термины:
Общая
метрология: «Часть метрологии, которая занимается
проблемами, общими для всех метрологических вопросов, независимо от измеряемой
величины» (Международный словарь терминов, в законодательной метрологии). Общая
метрология затрагивает общие теоретические и практические проблемы, касающиеся
единиц измерений (т.е. структура системы единиц, или преобразование единиц
измерений в формулах); проблемы ошибок при измерениях; проблемы метрологических
свойств измерительных инструментов, применимых независимо от рассматриваемой
величины. Иногда, вместо термина «общая метрология» используется «научная
метрология».
Существуют
различные специальные области метрологии. Некоторые примеры:
•
Метрология массы, которая связана с измерением масс;
•
Метрология размерности, которая связана с измерениями длин и углов;
•
Метрология температуры, которая касается измерений температур;
•
Химическая метрология, которая связана со всеми видами измерений в химии.
Промышленная
метрология связана с измерениями в производстве и с
процедурами управления качеством. Типичные вопросы – это процедуры и интервалы
калибровки, контроль за процессами измерений, и управление измерительным
оборудованием. Данный термин часто используется для описания метрологической
деятельности в промышленности.
Законодательная
метрология. Этот термин относится к обязательным
техническим требованиям. Служба законодательной метрологии проверяет выполнение
этих требований для того, чтобы гарантировать корректность измерений в областях
представляющих общественный интерес, таких как, торговля, здравоохранение,
окружающая среда и безопасность. Масштабы охвата законодательной метрологии
зависят от национальных регламентов и могут быть разными в различных странах.
Что
означает «точность» и «неопределенность» в измерениях?
Измерение
– это сравнение неизвестного значения величины со стандартной единицей той же
величины и выражение результата в виде доли или кратного числа этой единицы.
Это сравнение, сделанное с помощью измерительного инструмента, никогда не
бывает совершенным. Инструмент является точным до какой-то степени и точность
его самого является определенной только в тех пределах, которые выражаются
количественно как неопределенность. Это можно проиллюстрировать следующим
примером: единица массы, килограмм, определяется его международным эталоном,
металлическим цилиндром, хранящимся в Международном бюро мер и весов (МБМВ).
Копии этого эталона используются в качестве национальных эталонов килограмма.
Копии
не являются совершенными и их массы слегка отличаются от международного
эталона. Предположим, что масса копии X равняется 1 кг + 0,01 мг, поэтому
точность копии – 0,01 мг. Но эта информация не является полной, потому что
разница между значениями массы эталона и его копии была определена
измерительным инструментом (весами), и измерительный процесс также
несовершенен. Всегда имеются какие-то случайные различия (например, маленькие
отклонения в условиях окружающей среды) и некоторое несовершенство
измерительных приборов.
Повторяемые
измерения при явно идентичных условиях будут показывать (слегка) различные
результаты. Вместо 1 кг + 0,01 мг, весы могут показать 1 кг + 0,009 мг или 1 кг
+ 0,011 мг или другие значения. Неопределенность измерения можно оценить
применяя статистические методы, приведенные в «Руководстве по выражению
неопределенности измерения» (GUM). Полный результат массы копии X показывает: т
= 1,000 000 01 кг ± 0,002 мг. Значение неопределенности ± 0,002 мг показывает,
что измерения, сделанные при явно идентичных условиях будут давать результат в
интервале от 1,000 000 01 кг – 0,002 мг до 1,000 000 01 кг + 0,002 мг с
определенной вероятностью (обычно 95%). Предполагается, что 95 из 100 измерений
будут находиться в данном интервале.
Оценка
неопределенности измерения имеет возрастающую важность, потому что она дает
возможность тем, кто использует результаты измерения, оценить надежность этих
результатов. Без такой оценки результаты измерения не могут быть сравнимы ни
между собой, ни с эталонными, приведенными в спецификациях или стандартах.
Предположим, что масса копии X была определена с использованием других весов в
другом месте и получен результат т(Х) = 1,000 000 кг. Означает ли это точно 1
кг? Может быть, чувствительность этих весов не так высока как чувствительность
других? Какая имеется разница между двумя этими результатами? На эти вопросы
нельзя ответить, потому что отсутствует информация по неопределенности.
Для
того, чтобы получить сравнимые результаты из оценок неопределенностей
измерения, эксперты из семи международных организаций, занимающихся метрологией
или стандартизацией, разработали «Руководство по выражению неопределенности
измерения», (GUM). Руководство устанавливает основные правила для оценки и
выражения неопределенности в измерении, которая может быть соблюдена на
различных уровнях точности и в различных областях применения, от магазина до
фундаментальных исследований. Некоторые базовые идеи, заложенные в концепции,
приведены ниже. Однако, как говорится в Руководстве: «Оценка неопределенности –
это ни рутинная, ни чисто математическая задача, она зависит от детальных
знаний природы величины (которую необходимо измерить) и самого измерения».
Правила
учитывают, что неопределенность в результате измерения обычно состоит из
нескольких компонентов, которые могут быть сгруппированы в две категории, в
зависимости .от способа оценки их численных значений. Одна категория состоит из
случайных ошибок, появляющихся из непредсказуемых изменений, которые оказывают
влияние на величину, такие как окружающая температура и давление воздуха.
Другая категория состоит из несовершенным образом скорректированных
систематических эффектов. Руководство описывает математическое рассмотрение
этих двух категорий компонентов, вносящих вклад в неопределенность измерения.
Важно
знать точность измерительных инструментов для того, чтобы сделать правильный
выбор. Точность измерительного инструмента – то есть, его способность давать
меру, близкую к «истинному» значению, представленному стандартом, – часто
выражается как процент пределов измерений. Это значение используют, чтобы
характеризовать класс точности инструмента. Вольтметр класса 1 означает, что ошибка
показания инструмента должна быть не больше, чем 1% измеряемого интервала. Если
измеряемый интервал- от 0 до 100 В, то можно ожидать погрешность в 1 В для
любого инструмента в данном интервале измерений. Измерения в области нижнего
предела измерений будут приводить к более высокой относительной неточности, к
примеру, точность измерения 5 В равняется 20%. Это ставит вопрос о том, является
ли точность в 1 В для измерения 5 В достаточной для применения в нужном случае.
Если
нет, то нужно использовать другой измерительный инструмент или другой интервал
измерений для того же самого инструмента. Предположим, что можно установить
интервал измерений от 0 до 10 В. Точность в этом интервале будет 0,1 В. Тогда
показания прибора в 5 В будут точными до 0,1 В или 2% от 5 В.
В нашей жизни в связи с развитием науки, техники, разработкой новых технологий, эталонов и средств измерений, измерения охватывают более современные физические величины, расширяются диапазоны измерений.
Постоянно растут требования к точности измерений.В таких условиях, чтобы разобраться с вопросами и проблемами измерений, метрологического обеспечения и обеспечения единства измерений, нужен единый научный и законодательный фундамент, обеспечивающий в практической деятельности высокое качество измерений, независимо от того, где и с какой целью они проводятся.
Таким фундаментом является метрология.
Сегодня измерение и метрология пронизывают все сферы жизни. Только родившийся человек, еще не имея имени, сразу становится объектом измерений. В первые минуты жизни к нему применяют средства измерений длины, массы и температуры. В повседневной жизни мы также постоянно сталкиваемся с количественными оценками. Мы оцениваем температуру воздуха на улице, следим за временем, решаем насколько выгодно и рационально практически любое наше действие. С измерениями связана деятельность человека на любом предприятии. Инженеры промышленных предприятий осуществляющие метрологическое обеспечение производства должны иметь полные сведения о возможностях измерительной техники, для решения задач взаимозаменяемости узлов и деталей, контроля производства продукции на всех его жизненных циклах.
Метрология занимает особое место среди технических наук, т.к. метрология впитывает в себя самые последние научные достижения и это выражается в совершенстве ее эталонной базы и способов обработки результатов измерений.
Во-первых, она обеспечивает другие отрасли знания тем необходимым инструментарием, без которого невозможна никакая постановка технического эксперимента, его воспроизводимость.
Во-вторых, именно это последнее свойство является основой всякой, без исключений, технологии. И потому метрология выступает как один из ключевых факторов технического прогресса.
И, наконец, в-третьих, в обществе метрология играет роль одного из регуляторов социально-экономических отношений, принадлежит сфере государственного управления и в силу этого оказывает влияние на социальное развитие в целом.
Развитие современных измерительных технологий и средств измерений, в первую очередь, высокотехнологичных, служит точками роста, как в промышленности, так и в науке и экономике в целом. Так происходит потому, что речь идет о высокотехнологичном производстве, дающем рабочие места для высококвалифицированных, высокообразованных специалистов, специалистов-технарей.
Метрология стала наукой, без знания которой не может обойтись ни один специалист любой отрасли. В настоящее время метрология развивается по нескольким направлениям. Если еще в начале 20-го века под словом метрология понималась наука, главной задачей которой было описание всякого рода мер, применяемых в разных странах, то теперь это понятие приобрело гораздо более широкий научный и практический смысл, расширилось содержание метрологической деятельности и появилось понятие – метрологическое обеспечение производства.
Метрологическое обеспечение – установление и применение научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности проводимых измерений.
Сформировались и развиваются три взаимосвязанных раздела метрологии: теоретическая, законодательная и прикладная метрология.
Теоретическая метрология – являясь базой измерительной техники, занимается изучением проблем измерений в целом и образующих измерение элементов: средств измерений, физических величин и их единиц, методов и методик измерений, результатов и погрешностей измерений и др. Теория метрологии рассматривается в разделах сайта: Принципы МО, единство измерений, единицы измерений.
На сайте сделана большая подборка литературы по метрологии в которой собраны учебники по метрологии и учебные пособия по метрологии.
Законодательная метрология – разрабатывает и внедряет нормы и правила выполнения измерений, устанавливает требования, направленные на достижение единства измерений, порядок разработки и испытаний средств измерений, устанавливает термины и определения в области метрологии, единицы физических величин и правила их применения. Данный раздел метрологии описывается в следующих страницах сайта: законодательная метрология, нормативные документы по метрологии и метрологическому обеспечению.
Прикладная (практическая) метрология – освещает вопросы практического применения разработок теоретической и положений законодательной метрологии. И именно с ее помощью осуществляется метрологическое обеспечение производства.
Множество вопросов прикладной метрологии освещается в каталоге статей. В данном каталоге собраны статьи о метрологии как науке, статьи о законодательстве в метрологии, статьи о погрешности и неопределенности измерений, статьи о метрологическом обеспечении производства, статьи о стандартизации и качестве, статьи о средствах измерений и методах измерений, статьи о нанометрологии.
Все материалы сайта ориентированы на практическое решение вопросов метрологами предприятий.
Полезными могут оказаться разделы: Формы документов, полезные программы и другие.
Метрологи могут задать вопрос и поделиться опытом на страницах форума метрологов.
На сайте также представлен бесплатный АРМ «Метролог», а на форуме идет обсуждение и других программ служащих для облегчения работы метрологов.
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра землеустройства и кадастра
МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ
Выполнила: И.А. Климанова
шифр 92754
курс II
группа 120302
Проверила: Н.Ф. Коршунова
Екатеринбург, 2011СОДЕРЖАНИЕ
1. Основы метрологии…………………………………………………………….2
2. Краткая история развития метрологии………………………………………..3
3. Правовые основы метрологической деятельности в Российской Федерации
3.1 Законодательная база метрологии…………………………………….5
3.2 Юридическая ответственность за нарушение нормативных требований по метрологии…………………………………………………9
4. Объекты и методы измерений………………………………………………..10
Список использованной литературы……………………………………………15
1. Основы метрологии
Метрология — наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.
В практической жизни человек всюду имеет дело с измерениями. На каждом шагу встречаются и известны с незапамятных времен измерения таких величин, как длина, объем, вес, время и др.
Велико значение измерений в современном обществе. Они служат не только основой научно-технических знаний, но имеют первостепенное значение для учета материальных ресурсов и планирования, для внутренней и внешней торговли, для обеспечения качества продукции, взаимозаменяемости узлов и деталей и совершенствования технологии, для обеспечения безопасности труда и других видов человеческой деятельности.
Метрология имеет большое значение для прогресса естественных и технических наук, так как повышение точности измерений — одно из средств совершенствования путей познания природы человеком, открытий и практического применения точных знаний.
Для обеспечения научно-технического прогресса метрология должна опережать в своем развитии другие области науки и техники, ибо для каждой из них точные измерения являются одним из основных путей их совершенствования.
Основными задачами метрологии (по ГОСТу 16263-70) являются:
— установление единиц физических величин, государственных эталонов и образцовых средств измерений;
— разработка теории, методов и средств измерений и контроля;
— обеспечение единства измерений и единообразных средств изме-рений;
— разработка методов оценки погрешностей, состояния средств изме-рения и контроля;
— разработка методов передачи размеров единиц от эталонов или об-разцовых средств измерений рабочим средствам измерений.
2 . Краткая история развития метрологии
Потребность в измерениях возникла в незапамятные времена. Для этого в первую очередь использовались подручные средства. Например, единица веса драгоценных камней — карат, что в переводе с языков древнего юга-востока означает “семя боба”, “горошина”; единица аптекарского веса — гран, что в переводе с латинского, французского, английского, испанского означает “зерно”. Многие меры имели антропометрическое происхождение или были связаны с конкретной трудовой деятельностью человека. Так, в Киевской Руси применялись в обиходе вершок — длина фаланги указательного пальца; пядь — расстояние между концами вытянутых большого и указательного пальцев; локоть — расстояние от локтя до конца среднего пальца; сажень — от “сягать”, “достигать”, т. е. можно достать; косая сажень — предел того, что можно достать: расстояние от подошвы левой ноги до конца среднего пальца вытянутой вверх правой руки; верста — от “верти”, “поворачивая” плуг обратно, длина борозды.
Древние вавилоняне установили год, месяц, час. Впоследствии 1/86400 часть среднего периода обращения Земли вокруг своей оси получила название секунды.
В Вавилоне во II в. до н. э. время измерялось в минах. Мина равнялась промежутку времени (равному, примерно, двум астрономическим часам), за который из принятых в Вавилоне водяных часов вытекала “мина” воды, масса которой составляла около 500 г. Затем мина сократилась и превратилась в привычную для нас минуту. Со временем водяные часы уступили место песочным, а затем более сложным маятниковым механизмам.
Важнейшим метрологическим документом в России является Двинская грамота Ивана Грозного (1550 г.). В ней регламентированы правила хранения и передачи размера новой меры сыпучих веществ — осьмины. Ее медные экземпляры рассылались по городам на хранение выборным людям — старостам, соцким, целовальникам. С этих мер надлежало сделать клейменые деревянные копии для городских померщиков, а с тех, в свою очередь, — деревянные копии для использования в обиходе.
Метрологической реформой Петра I к обращению в России были допущены английские меры, получившие особенно широкое распространение на флоте и в кораблестроении — футы, дюймы. В 1736 г. по решению Сената была образована Комиссия весов и мер под председательством главного директора Монетного двора графа М.Г. Головкина. В состав комиссии входил Л. Эйлер. В качестве исходных мер комиссия изготовила медный аршин и деревянную сажень, за меру веществ было принято ведро московского Каменномостского питейного двора. Важнейшим шагом, подытожившим работу комисии, было создание русского эталонного фунта.
Идея построения системы измерений на десятичной основе принадлежит французскому астроному Г. Мутону, жившему в XVII в. Позже было предложено принять в качестве единицы длины одну сорокамиллионную часть земного меридиана. На основе единственной единицы — метра — строилась вся система, получившая название метрической.
В России указом “О системе Российских мер и весов” (1835 г.) были утверждены эталоны длины и массы — платиновая сажень и платиновый фунт.
В соответствии с международной Метрологической конвенцией, подписанной в 1875 г., Россия получила платиноиридиевые эталоны единицы массы № 12 и 26 и эталоны единицы длины № 11 и 28, которые были доставлены в новое здание Депо образцовых мер и весов. В 1892 г. управляющим Депо был назначен Д.И. Менделеев, которую он в 1893 г. преобразует в Главную палату мер и весов — одно из первых в мире научно-исследовательских учреждений метрологического профиля.
Метрическая система в России была введена в 1918 г. декретом Совета Народных Комиссаров “О введении Международной метрической системы мер и выесов”. Дальнейшее развитие метрологии в России связано с созданием системы и органов служб стандартизации. Этот вопрос подробно рассмотрен в п. 1.2.
Развитие естественных наук привело к появлению все новых и новых средств измерений, а они, в свою очередь, стимулировали развитие наук, становясь все более мощным средством исследования.
3. Правовые основы метрологической деятельности в Российской Федерации
3.1 Законодательная база метрологии
Основными правовыми актами по метрологии в России являются:
1. Закон РФ “Об обеспечениии единства измерений” от 27.04.93, № 4871-1 в редакции 2003 г.;
2. РМГ 29 — 99. Метрология. Термины и определения.
3. МИ* 2247-93 ГСИ. Метрология. Основные термины и определения.
4. ГОСТ 8.417-81 ГСИ. Единицы физических величин.
5. ПР 50.2.006-94 ГСИ. Поверка средств измерений. Организация и порядок проведения.
6. ПР 50.2.009-94 ГСИ. Порядок проведения испытаний и утверждения типа средств измерения.
7. ПР 50.2.014-94 ГСИ. Аккредитация метрологических служб юридических лиц на право поверки средств измерений.
8. МИ 2277-94 ГСИ. Система сертификации средств измерений. Основные положения и порядок проведения работ.
9. ПР 50.2.002-94 ГСИ. Порядок осуществления государственного метрологического надзора за выпуском, состоянием и применением средств измерений, аттестованными методиками выполнения измерений, эталонами и соблюдением метрологических правил и норм.
10. ПР 50.2.004-94 ГСИ. Порядок осуществления государственного метрологического надзора за количеством фасованных товаров в упаковках любого вида при их расфасовке и продаже.
11. ПР 50.2.017-95 ГСИ. Положение о российской системе калибровки.
12. Постановление Госстандарта России от 8 февраля 1994 г. N 8 “Порядок лицензирования деятельности по изготовлению, ремонту, продаже и прокату средств измерений” (Зарегистрировано в Минюсте РФ 9 декабря 1994 г. N 741)
13. Постановление Госстандарта России от 08.02.94 N 8 “Порядок осуществления государственного метрологического надзора за количеством товаров, отчуждаемых при совершении торговых операций” (зарегистрировано в Минюсте РФ 9 декабря 1994 г. N 740).
14. Постановление Госстандарта РФ от 28 декабря 1995 г. N 95 “Порядок аккредитации метрологических служб юридических лиц на право проведения калибровочных работ” (зарегистрировано в Минюсте РФ 27 февраля 1996 г. N 1037).
15. Постановление Госстандарта РФ от 8 феврвля 1994 г. №8 «Требования к государственным центрам испытаний средств измерений и порядок их аккредитации” (зарегистрировано в Минюсте РФ 13 июля 1994 г. N 635).
16. ИСО 10012-1:1992. „Требования, гарантирующие качество измерительного оборудования. — Часть 1: Система подтверждения метрологической пригодности измерительного оборудования“.
Закон “Об обеспечении единства измерений” осуществляет регулирование отношений, связанных с обеспечением единства измерений в Российской Федерации, в соответствии с Конституцией РФ.
Основные статьи Закона устанавливают:
— основные понятия, применяемые в Законе;
— организационную структуру государственного управления обеспечением единства измерений;
— нормативные документы по обеспечению единства измерений;
— единицы величин и государственные эталоны единиц величин;
— средства и методики измерений.
Закон определяет Государственную метрологическую службу и другие службы обеспечения единства измерений, метрологические службы государственных органов управления и юридических лиц, а также виды и сферы распределения государственного метрологического контроля и надзора.
Отдельные статьи Закона содержат положения по калибровке и сертификации средств измерений и устанавливают виды ответственности за нарушение Закона.
Становление рыночных отношений наложило отпечаток на статью Закона, которая определяет основы деятельности метрологических служб государственных органов управления и юридических лиц. Вопросы деятельности структурных подразделений метрологических служб на предприятиях выведены за рамки законодательной метрологии, а их деятельность стимулируется чисто экономическими методами.
В тех сферах, которые не контролируются государственными органами, создается Российская система калибровки, также направленная на обеспечение единства измерений.
Положение о лицензировании метрологической деятельности направлено на защиту прав потребителей и охватывает сферы, подлежащие государственному метрологическому контролю и надзору. Право выдачи лицензии предоставлено исключительно органам Государственной метрологической службы.
В области государственного метрологического надзора введены новые виды надзора:
— за количеством товаров, отчуждаемых при торговых операциях;
— за количеством товаров в упаковках любого вида при их расфасовке и продаже;
— за банковскими, почтовыми, налоговыми и таможенными операциями;
— за обязательностью сертификации продукции и услуг.
Закон создает условия для взаимодействия с международной и национальными системами измерений зарубежных стран. Это прежде всего необходимо для взаимного признания результатов испытаний, калибровки и сертификации, а также для использования мирового опыта и тенденций в современной метрологии.
3.2 Юридическая ответственность за нарушение нормативных требований по метрологии
Статья 25 Закона “Об обеспечении единства измерений” предусмат-ривает возможность привлечения юридических и физических лиц, а также государственных органов управления РФ, виновных в нарушении положе-ний этого Закона к административной, гражданской-правовой или уголов-ной ответственности в соответствии с действующим законодательством.
Кодексом об административных нарушениях и, в частности, статьей 170 “Нарушение обязательных требований государственных стандартов, правил обязательной сертификации, нарушение требований нормативных документов по обеспечению единства измерений” предусмотрено наложение штрафа от пяти до ста минимальных размеров оплаты труда.
Гражданско-правовая ответственность наступает в ситуациях, когда в результате нарушений метрологических правил и норм юридическим или физическим лицам причинен имущественный или личный ущерб. Причиненный ущерб подлежит возмещению по иску потерпевшего на основании соответствующих актов гражданского законодательства.
К уголовной ответственности нарушители метрологических требований привлекаются в тех случаях, когда имеются признаки состава преступления, предусмотренные Уголовным кодексом.
Дисциплинарная ответственность за нарушение метрологических правил и норм определяется решением администрации (организации) на основании Кодекса законов о труде.
4. Объекты и методы измерений
Измерения являются инструментом познания объектов и явлений окружающего мира. Поэтому метрология относится к науке, занимающейся теорией познания — гноссиологии.
Объектами измерений являются физические и нефизические величины (в экономике, медицине, информатике, управлении качеством и пр.).
Вся современная физика может быть построена на семи основных величинах, которые характеризуют фундаментальные свойства материального мира. К ним относятся: длина, масса, время, сила электрического тока, термодинамическая температура, количество вещества и сила света. С помощью этих и двух дополнительных величин — плоского и телесного углов — введенных исключительно для удобства, образуется все многообразие производных физических величин и обеспечивается описание любых свойств физических объектов и явлений.
Измерения физических величин подразделяются на следующие области и виды:
1. Измерения геометрических величин: длин; отклонений формы поверхностей; параметров сложных поверхностей; углов.
2. Измерения механических величин: массы; силы; крутящих моментов, напряжений и деформаций; параметров движения; твердости.
3. Измерения параметров потока, расхода, уровня, объема веществ: массового и объемного расхода жидкостей в трубопроводах; расхода газов; вместимости; параметров открытых потоков; уровня жидкости.
4. Измерения давлений, вакуумные измерения: избыточного давления; абсолютного давления; переменного давления; вакуума.
5. Физико-химические измерения: вязкости; плотности; содержаний (концентрации) компонентов в твердых, жидких и газообразных веществах; влажности газов, твердых веществ; электрохимические измерения.
6. Теплофизические и температурные измерения: температуры; теплофизических величин.
7. Измерения времени и частоты: методы и средства воспроизведения и хранения единиц и шкал времени и частоты; измерения интервалов времени; измерения частоты периодических процессов; методы и средства передачи размеров единиц времени и частоты.
8. Измерения электрических и магнитных величин на постоянном и переменном токе: силы тока, количества электричества, электродвижущей силы, напряжения, мощности и энергии, угла сдвига фаз; электрического сопротивления, проводимости, емкости, индуктивности и добротности электрических цепей; параметров магнитных полей; магнитных характеристик материалов.
9. Радиоэлектронные измерения: интенсивности сигналов; параметров формы и спектра сигналов; параметров трактов с сосредоточенными и распределенными постоянными; свойств веществ и материалов радиотех-ническими методами; антенные.
10. Измерения акустических величин: акустические — в воздушной среде и в газах; акустические — в водной среде; акустические — в твердых телах; аудиометрия и измерения уровня шума.
11. Оптические и оптико-физические измерения: световые, измерения оптических свойств материалов в видимой области спектра; энергетических параметров некогерентного оптического излучения; энергетических параметров пространственного распределения энергии и мощности непрерывного и импульсного лазерного и квазимонохроматического излучения; спектральных, частотных характерстик, поляризации лазерного излучения; параметров оптических элементов, оптических характеристик материалов; характеристик фотоматериалов и оптической плотности.
12. Измерения ионизирующих излучений и ядерных констант: дозиметрических характеристик ионизирующих излучений; спектральных характеристик ионизирующих излучений; активности радионуклидов; радиометрических характеристик ионизирующих излучений.
В квалиметрии (разделе метрологии), посвященной измерению качества, не принято деление показателей качества на основные и производные. Здесь выделяются единичные и комплексные показатели качества. При этом единичные относятся к одному из свойств продукции, а комплексные характеризуют сразу несколько из свойств.
Размерность измеряемой величины является качественной ее характеристикой и обозначается символом dim, происходящим от слова dimension. Размерность основных физических величин обозначается соответствующими заглавными буквами. Например, для длины, массы и времени dim l = L; dim m = M; dim t = T.
При определении размерности производных величин руководствуются следующими правилами:
1. Размерности левой и правой частей уравнений не могут не совпадать, так как сравниваться между собой могут только одинаковые свойства. Объединяя левые и правые части уравнений, можно прийти к выводу, что алгебраически суммироваться могут только величины, имеющие одинаковые размерности.
2. Алгебра размерностей мультипликативна, т. е. состоит из одного единственного действия — умножения.
2.1. Размерность произведения нескольких величин равна произведению их размерностей. Так, если зависимость между значениями величин Q, А, В, С имеет вид Q = А ? В ? С, то
dim Q = dim A ? dim B ? dim C.
2.2. Размерность частного при делении одной величины на другую равна отношению их размерностей, т. е. если Q = А/В, то
dim Q = dim A/dim B.
2.3. Размерность любой величины, возведенной в некоторую степень, равна ее размерности в той же степени. Так, если Q = Аn, то
dim Q = .
Например, если скорость определять по формуле V = l / t, то dim V = dim l/dim t = L/Т = LТ-1. Если сила по второму закону Ньютона F = m?а, где а = V/ t — ускорение тела, то dim F = dim m ? dim а = МL/Т2 = MТ-2.
Таким образом, всегда можно выразить размерность производной физической величины через размерности основных физических величин с помощью степенного одночлена:
dim Q = LaMbTg …,
где L, М, Т,… — размерности соответствующих основных физических величин; a, b, g, … — показатели размерности. Каждый из показателей размерности может быть положительным или отрицательным, целым или дробным числом, нулем. Если все показатели размерности равны нулю, то такая величина называется безразмерной. Она может быть относительной, определяемой как отношение одноименных величин (например, относительная диэлектрическая проницаемость), и логарифмической, определяемой как логарифм относительной величины (например, логарифм отношения мощностей или напряжений). В гуманитарных науках, искусстве, спорте, квалиметрии, где номеклатура основных величин не определена, теория размерностей не находит пока эффективного применения.
Размер измеряемой величины является количественной ее характеристикой. Получение информации о размере физической или нефи-зической величины является содержанием любого измерения.
Список использованной литературы
1. Димов Ю.В. Метрология, стандартизация и сертификация. Учебник для вузов. 2-е изд. – СПб.: Питер, 2008. – 432 с.
2. Допуски и посадки: Справочник в 2-х ч. – 7-е изд., перераб. и доп. – Л.: Политехника,2006.
3. Кузнецов В.А., Ялунина Г.В. Основы метрологии: Учебное пособие – М.: Изд-во стандартов, 2007, – 280 с.
4. Сергеев А.Г., Латышев М.В., Терегеря В.В. Метрология, стандартизация и сертификация. Учеб. пособие. – Изд. 2-е, перераб. и доп. – М.: Логос, 2009. – 560 с. ил.
5. Федеральный закон РФ «О техническом регулировании» от 27.12.2007 № 184-ФЗ.
6. Закон РФ «Об обеспечении единства измерений» от 27.04.06 №4871-1 (в редакции 2009 г.)
7. ГОСТ 25346-89. Основные нормы взаимозаменяемости. ЕСДП. Общие положения, ряды допусков и основные отклонения.
8. Тартаковский Д.Ф. Ястребов А.С. Метрология, стандартизация и технические средства измерений: Учебник для вузов -.М.: Высш.шк., 2008.
9. Нефедов В.И Метрология и радиоизмерения. М: Высш. шк., 2008.
ЧАСТЬ 1. ОСНОВЫ
МЕТРОЛОГИИ.
1. ВВЕДЕНИЕ
В МЕТРОЛОГИЮ.
1.1. Метрология
— наука об измерениях. Понятие измерения.
Измерения
играют важную роль в жизни человека. С
измерениями он сталкивается на каждом
шагу своей деятельности, начиная от
определения расстояний «на глаз» и
включая контроль сложных технологических
процессов и выполнение сложных научных
исследований.
Развитие
науки тесно связано с процессом в области
измерений. Измерения являются одним уз
важнейших путей познания природы
человеком. Многие научные исследования
сопровождаются измерениями, позволяющими
установить количественные соотношения
и закономерности изучаемых явлений.
Д.И. Менделеев писал, что «наука начинается
с тех пор, как начинают измерять; точная
наука немыслима без измерений».
Потребность
в измерениях возникла очень давно,
поскольку человеку в повседневной жизни
приходилось измерять различные величины:
расстояния, площади земельных участков,
размеры и массу предметов, время и проч.
В начале это были примитивные измерения,
которые зачастую проводились «на глаз».
Выполняя такие измерения, человек
сравнивал наблюдаемые им предметы с
размерами некоторых частей собственного
тела, т.е. использовал их в качестве мер,
воспроизводящих единицы различных
величин. С течением времени люди пришли
к пониманию необходимости создания
специальных вещественных мер для
измерений и стали вводить в практику
измерений «естественные меры».
Дальнейшее
развитие человеческого общества —
развитие торговли, мореходства, появление
промышленности, развитие науки — все
это потребовало создания специальных
технических средств — средств измерения
(СИ) различных величин. Первый в мире
электроизмерительный прибор был создан
в 1745 году русским академиком — Рихманом,
соратником Ломоносова. Это был электрометр
— прибор, для оценки разности потенциалов
при изучении атмосферного электричества.
В дальнейшем, по мере изучения электричества
и особенно после возникновения
электротехники — области науки и
техники, созданной с использованием
явлений электричества для практических
нужд, наблюдается бурное развитие
электроизмерительных приборов различного
назначения.
В
настоящее время существует тесная связь
между уровнем развития производства и
возможностями измерительной техники.
Любое современное производство немыслимо
без точного, объективного контроля
технологических процессов, осуществляемого
с помощью СИ. Улучшение качества продукции
и повышение производительности труда
напрямую связано с тем, насколько хорошо
оснащено и организовано измерительное
хозяйство предприятия. Автоматизация
производства также невозможна без
измерений, т.к. нельзя управлять объектом
не имея достаточной информации о нем.
Сказанное в равной степени относится
и к развитию современной науки, медицины,
торговли, сельского хозяйства и других
отраслей народного хозяйства.
С
другой стороны, достижения науки и
техники в области развития новых
технологий, создания новых материалов
и элементов создают возможности для
развития существующих методов и СИ, так
и для разработки принципиально новых.
Необходимо особо подчеркнуть
распространенность в настоящее время
электрических СИ не только для
электрических величин, но и для
неэлектрических. Это объясняется
достоинством электрических СИ.
Что
же такое измерение ? Во всех случаях
проведения измерений, независимо от
измеряемой величины, метода и используемых
СИ, есть общее, что составляет основу
измерений — это сравнение опытным путем
данной величины с другой, подобной ей,
принятой за единицу. При всяком измерении
мы с помощью эксперимента оцениваем
значение физической величины (ФВ) в виде
некоторого числа принятых для нее
единиц, т.е. находим ее значение. Суть
любого измерения, независимо от его
сложности, заключается в количественном
выражении измеряемой величины на
основании эксперимента путем сопоставления
ее с однородной величиной, принятой за
единицу. Суть измерений можно выразить
общим уравнением измерений:
Q
= n ?
[Q],
(1.1)
где
Q — измеряемая величина, [Q] — единица
измеряемой величины, n — число единиц.
ГОСТ
дает следующее определение: «Измерение
есть нахождение значения ФВ опытным
путем с помощью специальных технических
средств».
Из
этого определения следует, что в любом
измерении всегда присутствуют три
обязательных элемента:
количественная
оценка;
опыт
(эксперимент);
специальные
технические средства (СИ).
Для
измерений характерно то, что они никогда
не являются заключительной частью
какого-либо процесса деятельности.
«Измерение», само по себе, является
процессом, завершающим этапом которого
есть «результат измерения»; а за
«результатом» обязательно следует
какое-то действие, даже если «измерение»
является составной частью «действия»
автоматической установки или системы.
Как правило «результат измерения» при
этом определяет дальнейшее действие —
сделать то или другое, либо продолжить
работу без изменения режима. Измерения
никогда не проводятся ради самих
измерений. Измерения всегда подчинены
какой-то цели. В этом смысле измерения
— подчиненный, вспомогательный процесс.
Но это ни в коей мере не умаляет значения
измерений. Значимость измерений
определяется той целью, ради которой
они выполняются.
На
определенном этапе своего развития
измерения привели к возникновению
метрологии — отрасли науки, изучающей
измерения. Слово «метрология» образовано
от двух греческих слов: «метрон» — мера
и «логос» — учение. Дословный перевод
слова «метрология» — учение о мерах.
Длительное
время метрология оставалась в основном
описательной наукой о различных мерах
и соотношениях между ними. С конца
прошлого века благодаря успехам в
развитии физических наук получила
существенное развитие и метрология.
Большой вклад в развитие и становление,
как науки, внес Д.И. Менделеев. Задачей
метрологии в то время было создание и
хранение эталонов. Сейчас принципы
применения и задачи метрологии значительно
расширились. Метрология (в современном
ее понимании) рассматривается как наука
об измерениях, методах и средствах
обеспечения их единства и способах
достижения требуемой точности. Как
видно из этого определения, понятие
«метрология» базируется на следующих
понятиях:
измерение;
единство
измерений;
точность
измерений.
Единство
измерений — это такое состояние
измерений, при котором их результаты
выражены в указанных единицах и
погрешности известны с заданной
вероятностью. Единство измерений
необходимо для того, чтобы можно было
сопоставить результаты измерений,
выполненных в разных местах, в разное
время, с использованием различных
методов и СИ и т.д.
Точность
измерений характеризует близость их
результатов к истинному значению
измеряемой величины.
Таким
образом, важнейшие (основные) задачи
метрологии — обеспечение единства, и
необходимой точности измерений.
«Метрология»,
как понятие и наука, более широкое, чем
«измерения». Нельзя ставить знак
равенства между измерениями и метрологией.
Метрология, как наука, изучает:
измерения
физических величин (ФВ);
образующие
элементы измерений (СИ, ФВ и их единицы,
методы и методики измерений, результаты
измерений, погрешности измерений и СИ
и т.п.).
1.2. Физическая
величина, единица ФВ.
Понятие
физической величины — одно из наиболее
общих в физике, метрологии и измерительной
технике. Согласно ГОСТу «под физической
величиной понимают свойство, общее в
качественном отношении многим физическим
объектам (системам, их состоянием и
происходящим в них процессам), но в
количественном отношении индивидуальное
для каждого объекта».
Как
правило, термин «величина» применяют
в отношении тех свойств или характеристик
объектов, которые можно оценивать
количественно, т.е. измерять.
Так
все тела обладают массой, температурой.
Но для каждого из них эти свойства
различны. То же самое можно сказать и о
других величинах —электрическом токе,
вязкости жидкости, потоке излучения и
т.п. Индивидуальность в количественном
отношении следует понимать в том смысле,
что свойство может быть для одного
объекта в определенное число раз больше
или меньше, чем для другого.
Существуют
такие свойства и характеристики, которые
мы еще не умеем оценивать количественно,
хоть и стремимся найти способ их
количественной оценки (например: вкус,
запах …). Пока не научились их измерять,
стремятся избегать называть их величинами,
а называют «свойствами».
Для
того, чтобы можно было указать
количественное содержание в каждом
конкретном объекте свойства, отображаемого
физической величиной, используют
понятия: единица ФВ, размер ФВ, значение
ФВ.
Единица
ФВ — это ФВ, которой по определению
придано значение, равное единице. Т.е.
единица ФВ — это такое ее значение,
которое принято за основание (базис)
при сравнении с ним физических величин
такого же рода при их количественной
оценке.
В
тех случаях, когда необходимо указать,
что речь идет не просто о физической
величине, а о количественном содержании
в данном объекте конкретной ФВ, следует
употреблять слово «размер». Часто при
этом размер какой-то конкретной ФВ
пытаются выразить словом «величина»;
говорят: величина давления, величина
скорости, величина напряжения и т.д. Это
неверно, т.к. «давление, скорость,
напряжение …» в правильном понимании
этих слов являются ФВ, а говорить о
«величине» величины нельзя. В приведенных
случаях применение слова «величина»
является лишним, неправильным. Нельзя
говорить «большая величина давления»,
а лучше уж сказать: «большое давление»,
если кого-то с точки зрения стилистики
языка смущает выражение: «давление
большого размера».
Для
количественного определения размера
ФВ используют такое понятие, как «значение
ФВ». Значение ФВ есть количественная
оценка размера конкретной ФВ, выраженная
в виде некоторого числа единиц этой ФВ.
Отвлеченные числа, входящие в «значение
ФВ», принято называть числовым значением.
Для числового значения величины
характерно то, что при использовании
другой единицы оно изменяется, тогда
как размер ФВ остается неизменным.
Таким
образом, между размером и значением ФВ
существует принципиальная разница.
Размер величины существует реально,
независимо от того, знаем мы его или
нет. Размер ФВ не зависит от выбора
единицы измерения, чего нельзя сказать
о значении величины, которое полностью
определяется выбором единицы измерения.
Говорить о значении ФВ можно только
после выполнения измерения, т.е. после
количественной оценки.
1.3. Классификация
средств измерений.
Для
проведения измерений необходимы
специальные технические средства —
средства измерений (СИ).
СИ
– это
техническое средство, которое:
а)
предназначено для выполнения измерений,
б)
имеет нормированные метрологические
характеристики (МХ),
в)
способно воспроизводить и (или) хранить
единицу физической величины (ФВ), размер
которой считается неизменным (в пределах
установленной погрешности) в течение
известного интервала времени.
Приведенное
определение раскрывает суть СИ, которая
заключается в:
– «умении»
хранить (или воспроизводить) единицу
ФВ;
– неизменности
размера хранимой (или воспроизводимой)
ФВ.
Эти
важнейшие свойства и обуславливают
возможность выполнения измерений, т.е.
«делают» техническое средство средством
измерений. Если размер единицы ФВ в
процессе измерений изменяется больше,
чем установлено нормами, то таким СИ
нельзя получить результат с требуемой
точностью. Это означает, что измерять
можно лишь тогда, когда техническое
средство, предназначенное для этой
цели, может определенное время хранить
неизменным размер единицы ФВ.
*Различают
следующие виды СИ: рабочее, основное,
вспомогательное.
Рабочее
СИ –
СИ, предназначенное для измерений, не
связанных с передачей размера единицы
ФВ другим СИ.
Основное
СИ –
СИ той ФВ, значение которой необходимо
получить в соответствии с измерительной
задачей.
Вспомогательное
СИ – средство
измерения величины, влияющей на
метрологические свойства другого СИ
при его применении. Вспомогательные СИ
применяют для контроля значений влияющих
величин с целью поддержания их в заданных
пределах (термометр, барометр, магнитометр
и т.д.).
*По
назначению СИ подразделяют на следующие
категории:
Меры.
Стандартные
образцы.
Измерительные
преобразователи, первичные измерительные
преобразователи, датчики.
Измерительные
приборы.
Измерительные
установки.
Измерительные
системы.
Измерительно-вычислительные
комплексы.
Мера
– это
СИ, предназначенное для воспроизведения
и хранения физической величины заданного
размера (гиря, конденсатор …). Меры,
воспроизводящие физические величины
лишь одного размера, называют однозначными.
Многозначные меры могут воспроизводить
ряд размеров физической величины, часто
даже непрерывно заполняющих некоторый
промежуток между определенными границами
(линейка миллиметровая, магазин
сопротивлений, конденсатор переменной
емкости …)
Стандартный
образец (СО) – образец вещества (или
материала) с известными значениями
одной или более величин, характеризующих
свойство или состав этого вещества
(материала). Применяются СО для контроля
и установления состава и свойств веществ
(материалов) и определения пригодности
их к тому или иному применению или
производству.
Измерительный
преобразователь (ИП) – техническое
средство, служащее для преобразования
измеряемой ФВ в другую величину или в
измерительный сигнал, удобный для
обработки, хранения, дальнейших
преобразований, индикации, передачи по
каналам связи, но
не поддающейся непосредственному
восприятию экспериментатором.
ИП
входит в состав какого-либо прибора,
установки, системы и др.
Первичный
измерительный преобразователь (ПИП) –
измерительный преобразователь, на
который непосредственно воздействует
измеряемая ФВ, т.е. первый преобразователь
в измерительной цепи СИ.
В
одном СИ может быть несколько ПИП.
Датчик
– конструктивно обособленный ПИП,
имеющий нормированные МХ, от которого
поступают измерительные сигналы
(информация).
Измерительный
прибор – это СИ, предназначенное для
получения значений измеряемой ФВ в
форме,
удобной для непосредственного восприятия
экспериментатором.
По
способу индикации различают показывающие
и регистрирующие
приборы. По действию приборы разделяют
на интегрирующие
и суммирующие.
Различают также приборы
прямого действия
и приборы
сравнения,
аналоговые
и цифровые
приборы, самопищущие
и печатающие
приборы.
Измерительная
установка – совокупность функционально
объединенных мер, измерительных
преобразователей, измерительных приборов
и др. устройств , предназначенная для
измерения одной или нескольких ФВ и
расположенная в одном месте.
Измерительная
система – совокупность функционально
объединенных мер, измерительных
преобразователей, измерительных
приборов, ЭВМ и др. технических средств,
размещенных в разных точках контролируемого
объекта с целью измерений одной или
нескольких ФВ, свойственных этому
объекту, и выработки измерительных
сигналов в разных целях.
Измерительно-вычислительный
комплекс (ИВК) – функционально объединенная
совокупность СИ, ЭВМ и вспомогательных
устройств, предназначенная для выполнения
в составе измерительной системы
конкретной измерительной задачи.
1.4. Виды
и методы измерений.
Измерения,
как экспериментальные процедуры, весьма
разнообразны, что объясняется множеством
измеряемых ФВ, различным характером их
изменения во времени, различными
требованиями к точности результата и
т.п.
*В
зависимости от способа получения
результата и способа обработки
экспериментальных данных измерения
бывают прямыми, косвенными, совокупными
и совместными.
Прямыми
называют измерения, при которых искомое
значение величины находят непосредственно
из опытных данных. При этом измеряемую
величину сравнивают с мерой измерительными
приборами, градуированными в требуемых
единицах (измерение напряжения
вольтметром, тока — амперметром и т.п.).
При
косвенных измерениях искомое значение
величины находят на основании известной
зависимости между этой величиной и
величинами, подвергаемыми прямым
измерениям.
Косвенные
измерения широко распространены в тех
случаях, когда искомую величину невозможно
или сложно измерить непосредственно
или когда прямое измерение дает
недостаточно точный результат (измерение
электрического сопротивления и мощности
методом амперметра и вольтметра, АЧХ
четырехполюсника по измерениям Uвх
и Uвых).
При косвенном измерении значение
измеряемой величины X получают путем
решения уравнения: X=F(а1,
а2,
а3,
…, аn),
где а1,
а2,
а3,
…, аn
— значения величин, получаемых прямыми
измерениями.
Совокупные
измерения — одновременные измерения
нескольких одноименных величин, при
которых искомое значение величины
находят, решая систему уравнений,
получаемых при прямых измерениях
различных сочетаний этих величин
(например, измерение сопротивлений
резисторов, соединенных треугольником
— путем измерения сопротивлений между
различными вершинами треугольника; по
результатам трех измерений составляют
систему трех уравнений, решая ее
определяют сопротивления резисторов).
Совместные
измерения — одновременные измерения
нескольких неодноимённых величин для
нахождения зависимости между ними.
Пример
совместного измерения: определение
зависимости сопротивления резистора
от температуры Rt=R0(1+At+Bt2)
— измеряя сопротивление резистора при
трех различных температурах, составляют
систему из трех уравнений, решая которую,
находят R0,
A, B.
*Метод
измерений — это способ решения
измерительной задачи; это совокупность
приемов использования принципов и СИ.
Принцип
измерения — это физическое явление
(или совокупность физических величин),
положенное в основу измерений. Например,
измерение массы тела при помощи
взвешивания с использованием силы
тяжести; измерение температуры с
использованием термоэлектрического
эффекта.
Как
уже указывалось, числовое значение ФВ
при измерении получают путем сравнения
ее с известной однородной величиной,
воспроизводимой мерой. В зависимости
от способа применения меры различают
метод непосредственной оценки и метод
сравнения с мерой.
При
методе непосредственной оценки значение
измеряемой величины определяют
непосредственно по отсчетному устройству
измерительного прибора прямого действия,
шкала которого заранее была отградуирована
с помощью многозначной меры.
Метод
сравнения с мерой — методы, при которых
производится сравнение измеряемой
величины и величины, воспроизводимой
мерой. Отличительная особенность метода
сравнения — непосредственное участие
в измерении меры величины, однородной
с измеряемой (измерения веса с помощью
гирь на весах). Группа методов сравнения
с мерой включает в себя: нулевой,
дифференциальный, замещения, совпадения.
Можно выделить три главные функции измерений:
1) учет продукции, исчисляющейся по массе, длине, объему, расходу, мощности, энергии и т. д.;
2) измерения физических величин, технических параметров, характеристик процессов, состава и свойства веществ, проводимые при научных исследованиях, испытаниях и контроле продукции, в медицине, сельском хозяйстве и других отраслях;
3) измерения, проводимые для контроля и регулирования технологических процессов (особенно в автоматизированных производствах) и для обеспечения нормального функционирования транспорта и связи.
Наиболее наглядным является влияние метрологических характеристик измерений при выполнении первой из этих функций. Состояние современного весового хозяйства таково, что в процессе взвешивания остается неучтенным около 1% всех измеряемых продуктов производства. Не учитывается большая доля всех жидких и газообразных продуктов (нефть, газ, бензин и др.). Погрешности эксплуатируемых в настоящее время счетчиков энергии (в среднем 2%) приводят к неопределенности в учете такого же количества электроэнергии. Если эти проценты выразить в абсолютных числах для зерна, нефти, газа, цемента, энергии, чугуна, стали, удобрений и других продуктов добычи и производства, то многие потери, составляющие ежегодно многие сотни миллионов рублей, станут еще более очевидны.
Нарушение единства измерений, недостаточная их точность,невсегда продуманная организация измерений и метрологической службы приносят большие потери при выполнении второй и третьей функций измерений в народном хозяйстве.
В промышленности значительная часть измерений состава вещества все еще производится с помощью количественного или даже качественного анализа. Погрешности этих анализов иногда бывают в несколько раз выше, чем разница между количествам отдельных компонентов, на которую согласно установленной для них рецептуре должны отличаться друг от друга металлы различных марок, химических материалов и т. д. В результате происходит ухудшение качества машин и механизмов или даже возможные тяжелые аварии. Недостаточная точность измерений размеров в станкостроительной промышленности препятствует выпуску прецизионных станков высшего класса, а в свою очередь срок службы, например, подшипников, выпускаемых на недостаточно точном оборудовании, значительно снижается.
В сельском хозяйстве активный контроль температуры и влажности в хранилищах может снизить потери зерна на 1-3%, отход картофеля – на 6-16%, капусты – на 20%. Введение активного контроля физических условий в теплицах позволит поднять производительность труда на 15%, снизить расход тепла на 10-15% и поднять урожайность овощей на 10-15%.
3.3 Метрология и повышение качества. Сертификация
Исключительно велика роль измерений в повышении качества продукции. Она заключается не только в контроле качества с помощью средств измерений, но и в обеспечении необходимых показателей качества в самом технологическом процессе с помощью средств активного контроля.
Активный контроль подразумевает проведение измерений не по окончании изготовления (хранения и т.п.) изделия, во время производства. Это позволяет вмешиваться, при необходимости, в процесс производства с целью корректировки характеристик и останавливать процесс при достижении необходимых результатов. Таким образом, можно исключить потери связанные с браком.
Разработка каждого нового технологического процесса, создание нового изделия должны основываться на уже разработанных и аттестованных методах и средствах измерений.
С увеличением сложности промышленных предприятий число «точек измерения» возросло во много раз. В результате, для измерительных комплексов службы управления отдельными промышленными установками потребовалось выделять отдельные помещения. Количество информации, получаемой от всех измерительных устройств, оказалось настолько большим, что для его переработки необходимо применять ЭВМ.
С каждым годом задача сбора и переработки измерительной информации становится все шире. Современные информационно-вычислительные комплексы позволяют собирать в центральном пункте все существенные результаты измерений, относящихся к одной установке или к цеху или к предприятию в целом. Эта информация, соответственно обработанная, воссоздает картину всех важнейших процессов, происходящих на данном объекте (установке, цехе, предприятии) и дает возможность управлять ими оптимальным образом.
Быстродействие приборов позволяет накопить за короткий промежуток времени большое число результатов измерений. Возможность передачи этих результатов на обработку в вычислительное устройство позволяет снизить погрешности измерений, обусловленные случайными причинами. Быстродействие определяет возможность снижения систематических погрешностей, и исключить влияние непостоянства, скажем, рабочего тока потенциометра на результат измерения. Существенно повышается точность косвенных измерений, так как быстродействие прибора обусловливает уменьшение зависимости измеряемой величины от непостоянства параметров влияющих величин.
В настоящее время стремятся строить измерительные средства по модульно-блочному принципу, согласно которому измерительное средство комплектуется стандартными блоками, выполняющими определенные функции измерительной цепи. Это ускоряет построение измерительных средств, упрощается его эксплуатация и снижается себестоимость их производства.
Все чаще и чаще различные величины измеряются путем их преобразования в унифицированные электрические или пневматические сигналы. Необходимо подчеркнуть, что многие современные измерительные устройства, особенно если они действуют с использованием вспомогательной электрической или пневматической связи, сами по себе содержат цепь регулирования и при их разработке и применении необходимо использовать теорию и технику автоматического регулирования.
В области машиностроения существуют другие проблемы. Такой является уже упоминавшаяся ранее непрерывно растущая потребность в повышении точности измерения во всем диапазоне линейных размеров, особенно в областях измерений малых величин, а также больших расстояний. Качество формы изделия еще не поддается измерению в такой степени, в какой это необходимо.
Автоматизация процесса изготовления предъявляет повышенные метрологические требования к измерительным устройствам, поскольку управление этим производством строится на использовании измерительной информации.
Важнейшей проблемой современного приборостроения является повышение эксплуатационной надежности и в особенности долговременной метрологической надежности средств измерения. Если вообще отказ одного из всего комплекса измерительных устройств, может быть причиной выхода из строя станка или какой-либо другой установки, то «метрологический отказ», т. е. нарушение точности, потеря чувствительности и т. п., остающиеся незамеченными, могут стать причиной выпуска некондиционной продукции, искажений сигналов в линиях связи, появления нарушений в функционировании транспорта, уменьшения эффективности средств обороны и т. д.
Оставаясь незамеченными в течение длительного времени, эти «метрологические отказы» в конце концов, при неблагоприятном стечении обстоятельств, могут стать причиной катастрофы.
Всемирный День Метрологии каждый год отмечают более чем в 80 государствах, которые относятся к мировому метрологическому сообществу. Этот день – 20 мая – годовщина подписания Метрической Конвенции, которое осуществилось в 1875 году. Можно сказать, что этот день – праздник, напоминающий людям о важности и влиянии измерения на всю человеческую повседневную жизнь.
Каждый год Всемирный День Метрологии проводится под новым девизом. В 2012 году девиз праздника звучал так: “Метрология для безопасности”. Планы и проекты на данный год были созданы в соответствии с указанным выше девизом.
Уже стали традицией в этот день обращения к обществу директоров всемирных метрологических организаций – Международное Бюро Мер и Весов (МБМВ) и Международное Бюро Законодательной Метрологии (МБЗМ). В своих выступлениях они формулируют задачи метрологического сообщества в достижении цели девиза.
На официальном сайте Мирового метрологического сообщества, созданном специально для повышения степени осведомленности общества, постоянно обновляется информация об инновациях в измерении во всех сферах деятельности человека – экология, медицина, спорт и т.д.
Значение метрологии в жизни человека
В 2012 году – году метрологии для безопасности было проведено множество тематических мероприятий, которые, кроме всего прочего, призваны разъяснить людям важность метрологии для безопасности нашей жизни. Многие люди даже не подозревают, насколько важна роль метрологии во всех аспектах жизни и деятельности каждого человека.
К примеру, метрология помогает обеспечить надежность и безопасность самолетов, поездов и других видов транспорта. В медицине – дозы лечебного облучения определяются также посредством метрологии.
Правила метрологии основываются на принципе повсеместности, такие, единые для всех государств, правила, помогают избежать недоразумения и всевозможные барьеры технического характера в торговле. Кроме того, метрология призвана помочь в заботе об окружающей среде. Метрология обеспечивает правильное, безопасное функционирование системы здравоохранения.
В настоящее время Россия признана
страной с рыночной экономикой практически
всеми государствами мира. Переход от
авторитарной к рыночной экономике
определил новые условия для деятельности
отечественных фирм, предприятий и
организаций как на внутреннем рынке,
так и на внешнем. Жизнь заставляет
предприятия изучать, знать и применять
в своей практике принятые во всем мире
“правила игры”.
Международное сотрудничество по любым
направлениям и на любом уровне требует
гармонизации этих правил с международными
и национальными нормами.
Знания в области метрологии, стандартизации
и сертификации в одинаковой степени
важны для производителей, специалистов
по реализации продукции, менеджеров,
маркетологов и других специалистов,
которые по-новому, осознанно и цивилизованно
могут использовать возможности и
преимущества метрологии, стандартизации
и сертификации в качестве весомых
составляющих конкурентоспособности
товара.
В условиях новой России Государственный
комитет Российской Федерации по
стандартизации и метрологии (Госстандарт
России) законодательно уполномочен
формировать и реализовывать единую
техническую политику в сфере
стандартизации, метрологии и сертификации.
Ведущим направлением деятельности
Госстандарта России является разработка
отечественных, межгосударственных и
международных стандартов. При
проведении этой работы решаются задачи
регулирования вопросов безопасности
продукции и услуг, защиты прав потребителей,
гармонизации стандартов с соответствующими
международными и зарубежными аналогами.
Метрология, стандартизация и сертификация
являются инструментом обеспечения
качества продукции, работ и услуг, а
проблема качества актуальна для всех
стран и особенно для стран с рыночной
экономикой. Достаточно вспомнить как
после Второй мировой войныв разрушенных Германии и Японии умелое
применение методов метрологии и
стандартизации позволило обеспечить
качество продукции и тем самым дать
старт обновлению экономики этих стран.
Рис. 1. Триада видов деятельности по
обеспечению качества
На рис. 1 показано, как в результате
выполнения необходимых работ по
метрологии, стандартизации и сертификации
обеспечивается появление необходимого
качества.
1. Теоретические основы метрологии
Метрология – наука об измерениях,
методах, средствах обеспечения их
единства и способов достижения требуемой
точности. Слово “метрология”
греческого происхождения и образовано
от слов “метрон” – мера и “логос”
– учение. Метрология не только наука, но
и вид деятельности, связанный с
измерениями.
В современной метрологии различают три
ее составляющие –теоретическую,
практическую, или прикладную метрологию
и законодательную.
Теоретическая метрология рассматривает
общие проблемы теории измерений. Она
занимается вопросами фундаментальных
исследований, созданием системы единиц
измерений, физических постоянных,
разработкой новых методов измерения.
Прикладная метрология изучает вопросы
практического применения результатов
теоретических исследований в различных
сферах деятельности. Законодательная
метрология рассматривает требования
и нормы, направленные на обеспечение
единства измерений и единообразия
средств измерений.