1. Понятие о метрологическом обеспечении

Метрология является научной основой метрологического обеспечения.

Метрологическое обеспечение - это установление и применение научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерений.

Организационной основой метрологического обеспечения является метрологическая служба, состоящая из государственной метрологической службы и метрологических служб предприятий.

Технической основой метрологического обеспечения являются системы:

· государственных эталонов единиц физических величин;

· передачи размеров единиц физических величин от эталонов всем СИ с помощью образцовых СИ и других средств поверки;

· разработки, постановки на производство и выпуска в обращение рабочих средств измерений;

· обязательных государственных испытаний и метрологической аттестации средств измерений;

· обязательной государственной и ведомственной поверки средств измерений;

· стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов;

· стандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществ и материалов.

Нормативно-правовой основой МО - является Закон РК «Об обеспечении единства измерений», нормативные документы Государственной системы обеспечения единства измерений.

Основными целями МО являются:

· повышение качества продукции, эффективности управления производством и уровня эксплуатации производственных процессов;

· обеспечение взаимозаменяемости деталей, узлов и агрегатов, создание необходимых условий для кооперирования производства и развития специализации;

· повышение эффективности научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, экспериментов и испытаний;

· обеспечение достоверности учета и повышение эффективности использования материальных ценностей и энергетических ресурсов;

· повышение уровня автоматизации управления транспортом и безопасности его движения;

· обеспечение высокого качества и надежности связи;

· защита потребителя.

На современном этапе развития производства МО из чисто прикладного, направленного в основном на обеспечение совершенствования процессов разработки превратилось в активный инструмент создания эффективных технологических процессов, внедрения автоматизированных производств, обеспечения достоверной оценки и контроля качества готовой продукции. Государственная метрологическая служба, возглавляемая Госстандартом РК, включает:

· Республиканское государственное предприятие «Метрология»;

· Государственный информационный центр стандартов и стандартных образцов;

· Академию «Метрология»;

· Территориальные органы государственной метрологической службы.

Развитие производства, экономики определяется единой научно-технической политикой в области стандартизации, метрологии, сертификации.

Уровень всех измерений, и, в конечном итоге, уровень развития экономики, определяется уровнем развития эталонной базы единиц физических величин. Эталонная база является также основой функционирования систем стандартизации и сертификации.

Поэтому принятыми государственными программами предусматривается дальнейшее развитие национальной эталонной базы единиц физических величин с целью метрологического обеспечения точных измерений, сохранения и укрепления накопленного научно-технического потенциала. Эталонная база - это совокупность государственных первичных, вторичных и рабочих эталонов, а также исходных для страны установок высшей точности для хранения, воспроизведения и передачи размеров единиц физических величин.

Перед Госстандартом РК стоят следующие задачи: повышение уровня измерений, совершенствование национальной системы измерений, установление единого порядка передачи размера единиц физических величин.

В свете этих задач метрологическое обеспечение может быть определено как комплекс организационно-технических мероприятий, обеспечивающих получение и использование результатов измерений требуемой точности. К числу этих мероприятий, специфичных для практики МО качества выпускаемой продукции относятся:

· выбор номенклатуры параметров материалов, изделий, процессов, подлежащих оценке при измерениях, испытаниях, контроле;

· выбор номенклатуры и числовых значений показателей точности (достоверности) результатов измерений, испытаний и контроля, форм их представления, обеспечивающих оптимальное решение задач, для которых эти результаты предназначены;

· метрологическая экспертиза проектной, конструкторской и технологической документации с целью контроля правильности результатов решения двух предыдущих задач;

· планирование средств измерений, испытаний и контроля, разработка и метрологическая аттестация МИ, испытаний и контроля;

· обеспечение процессов измерений, испытаний и контроля соответствующими техническими средствами;

· поддержание технических средств в метрологическом исправном состоянии;

· выполнение процессов измерений, испытаний и контроля, обработка их результатов (когда это необходимо);

· обучение и повышение метрологической квалификации персонала, связанного с получением и использованием результатов измерений, испытаний и контроля.

Комплекс указанных мероприятий по МО осуществляют органы и технические службы министерств, ведомств, организаций и предприятий, связанные с обработкой измерительной информации, с нормативным и приборным обеспечением процессов ее получения.

1.1 Нормативная основа метрологического обеспечения

Стандарты Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ) - это система стандартов, регламентирующих требования, правила, положения и нормы, а также деятельность органов метрологической службы.

Развитие измерительной техники, усложнение как самих средств измерений, так и условий их применения, широкое использование косвенных измерений, необходимость измерений быстроизменяющихся величин, привели к тому, что возникла потребность расширения метрологической деятельности, особенно в области технических измерений, в том числе и по оценке погрешностей измерений.

Одной из важнейших задач метрологического обеспечения является достижение единства измерений.

Это требует соблюдения правил, норм установленных в стандартах и нормативных документах, составляющих нормативную основу метрологического обеспечения.

Стандарты государственной системы обеспечения единства измерений предназначены для решения таких задач, как установление единых терминов и обозначений, единых правил выполнения всех работ по обеспечению единства измерений, создание и совершенствование государственных эталонов единиц физических величин, методов и средств измерений высшей точности, постоянный контроль за соблюдением метрологических правил и норм.

Нормативная база Государственной системы обеспечения единства измерений в период существования СССР насчитывала более 1800 документов, в том числе 545 ГОСТов, около 1100 методических указаний метрологических институтов, 119 -руководящих документов и 60 инструкций и правил.

Основополагающим базовым стандартом в области измерений является ГОСТ 8.417-81 «ГСИ. Единицы физических величин».

Воспроизведение единиц осуществляется эталонами.

Базовым стандартом 8.057-80 установлены общие положения, квалификация и назначения эталонов.

Рядом других стандартов установлены порядок разработки эталонов, способы выражения их погрешности.

Передача размера единицы от эталонов средствам измерений регламентирована шестью базовыми стандартами.

Базовый стандарт ГОСТ 8.061-80 «ГСИ. Поверочные схемы. Содержание и построение» установил разделение поверочных схем на: государственные - возглавляемые Государственным эталоном и охватывающие все средства измерений данной физической величины, применяемые в стране; ведомственные - возглавляемые рабочим эталоном или образцовым средством высшего разряда; локальные - возглавляемые образцовым средством и предназначенные для средств измерений, подлежащих поверке в определенном органе государственной или метрологической службы.

Группой базовых стандартов был установлен порядок нормирования метрологических характеристик средств измерений: ГОСТ 8.009-84, ГОСТ 8.401-80 «ГСИ. Классы точности СИ» и другие. Правила оформления и выполнения результатов измерений регламентированы базовыми стандартами ГОСТ 8.010-90 «ГСИ. Методика выполнения измерений. Общие требования» и ГОСТ 8.207 «ГСИ. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов измерений».

Единообразие средств измерений обеспечивается базовыми стандартами по государственным испытаниям, метрологической аттестации.

Метрологический надзор за состоянием средств измерений осуществляется согласно стандартам ГОСТ 8.002, ГОСТ 8.513 и ГОСТ 8.315.

К базовым стандартам относится также ГОСТ 16203 «Метрология, термины и определения».

Остальные стандарты относятся к рабочим документам государственной системы единства измерений. Они разделены на четыре группы: Стандарты государственных эталонов и государственные поверочные схемы.

Стандарты методов и средств поверки мер и измерительных приборов.

Стандарты норм и точности измерений.

Стандарты типовых методик выполнения измерений.

В условиях перехода к рыночной экономике в Республике Казахстан разрабатывается собственная нормативная база национальной системы обеспечения единства измерений, комплекс взаимосвязанных правил, положений и требований в соответствии с международными требованиями. Гармонизация необходима для создания и поддержания условий интеграции метрологической деятельности Казахстана в мировое сообщество.

В 2000 году принят Закон РК «Об обеспечении единства измерений», который устанавливает правовые и организационные основы обеспечения единства измерений в РК, регулирует отношения между государственными органами управления, физическими и юридическими лицами в сфере метрологической деятельности и направлен на защиту прав и законных интересов граждан и экономики РК от последствии недостоверных результатов измерений.

Резюме

Метрология - это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и требуемой точности.

Потребность в возникновении и развитии метрологии возникла в древние времена.

Различают законодательную, научную и прикладную метрологию.

Нормативно-правовой основой метрологического обеспечения служат законодательные акты и нормативные документы Государственной системы обеспечения единства измерений.

1.2 Сущность и содержание метрологии

1.2.1 Основные понятия

Измерения как основной объект метрологии связаны как с физическими величинами, так и с величинами, относящимися к другим наукам (математике, психологии, медицине, общественным наукам и др.).

Физической величиной называют одно из свойств физического объекта (явления, процесса), которое является общим в качественном отношении для многих физических объектов, отличаясь при этом количественным значением. Так, свойство «прочность» в качественном отношении характеризует такие материалы, как сталь, дерево, ткань, стекло и многие другие, в то время как степень (количественное значение) прочности - величина для каждого из них совершенно разная.

Измерением называют совокупность операций, выполняемых с помощью технического средства, хранящего единицу величины и позволяющего сопоставить с нею измеряемую величину. Полученное значение величины и есть результат измерений.

Одна из главных задач метрологии - обеспечение единства измерений - может быть решена при соблюдении двух условий, которые можно назвать основополагающими:

· выражение результатов измерений в единых узаконенных единицах;

· установление допустимых ошибок (погрешностей) результатов измерений и пределов, за которые они не должны выходить при заданной вероятности.

Погрешностью называют отклонение результата измерений от действительного (истинного) значения измеряемой величины. Погрешности измерений приводятся обычно в технической документации на средства измерений или нормативных документах.

Единство измерений, однако, не может быть обеспечено лишь совпадением погрешностей. Требуется еще и достоверность измерений, которая говорит о том, что погрешность не выходит за пределы отклонений, заданных в соответствии с поставленной целью измерений.

Точность измерений характеризует степень приближения погрешности к нулю, т.е. истинному значению измеряемой величины.

Единство измерений - состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах, а погрешности известны с заданной вероятностью и не выходят за установленные пределы.

1.2.2 Виды измерений

Измерения различают по способу получения информации, по характеру изменений измеряемой величины, по количеству измерительной информации, по отношению к основным единицам.

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

Прямые измерения - это непосредственное сравнение физической величины с ее мерой. Например, измерение массы на весах, длины с помощью линейных мер.

Косвенные измерения - измерения, при которых искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. Например, нахождение плотности тела по массе и геометрическим размерам.

Совокупные измерения сопряжены с решением системы уравнений, составляемых по результатам одновременных измерений нескольких однородных величин. Решение системы уравнений дает возможность вычислить искомую величину.

Совместные измерения - это измерения двух и более неоднородных величин для определения зависимости между ними.

Совокупные и совместные измерения часто применяются в электротехнике.

По характеру изменения измеряемой величины в процессе измерений бывают статические, динамические и статистические измерения.

Статические измерения имеют место тогда, когда измеряемая величина практически постоянна.

Динамические измерения связаны с такими величинами, которые в процессе измерений претерпевают те или иные изменения.

Статистические измерения связаны с определением характеристик случайных процессов, звуковых сигналов, уровня шумов.

Однократные измерения - это одно измерение одной величины. Практическое применение такого вида измерений всегда сопряжено с большими погрешностями, поэтому следует проводить не менее трех однократных измерений и находить конечный результат как среднее арифметическое значение.

Многократные измерения характеризуются повышением числа измерений количества измеряемых величин. Обычно минимальное число измерений в данном случае больше трех. Преимущество многократных измерений - в значительном снижении влияния случайных факторов на погрешность измерений.

По отношению к основным единицам измерения делят на абсолютные и относительные.

Абсолютными измерениями называют такие, при которых используются прямое измерение одной (иногда нескольких) основной величины и физическая константа. Так, в формуле

E = m*c²

масса (m) - основная физическая величина, которая может быть измерена прямым путем (взвешиванием), а скорость света (с) - физическая константа.

Относительные измерения основаны на установления отношения измеряемой величины к однородной, применяемой в качестве единицы.

1.2.3 Методы измерений

Метод измерений - это совокупность приемов использования физических явлений и средств измерений. В промышленности находят применение следующие методы измерений:

o метод непосредственной оценки, при котором значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству (давление - манометром, характеристика тока - амперметром, вольтметром);

o метод сравнения с мерой, при котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой (сравнение масс на весах с гирями);

o метод совпадений, при котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют по совпадению отметок шкал;

o нулевой метод, в котором результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения равен нулю;

o метод замещения, в котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой, например, взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашку весов;

o дифференциальный метод, в котором на прибор сравнения воздействует разность измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой.

1.2.4 Области измерений

Область измерений - совокупность измерений физических величин, свойственных какой-либо области науки и техники и выделяющаяся своей спецификой. Принято различать следующие области измерений.

Измерения геометрических величин: длин, отклонений формы поверхностей, параметров сложных поверхностей, углов.

Измерения механических величин: массы, силы, крутящих моментов, напряжений и деформаций, параметров движения.

Измерения параметров потока, расхода, уровня, объема веществ: массового и объемного расхода жидкостей в трубопроводах, расходов газов, вместимости, параметров открытых потоков, уровня жидкости.

Измерения давлений, вакуумные измерения: избыточного давления, абсолютного давления, переменного давления, вакуума.

Физико-химические измерения: вязкости, плотности, влажности газов, твердых веществ, электрохимические измерения.

Теплофизические и температурные измерения: температуры, теплофизических величин.

Измерения времени и частоты: измерения интервалов времени, частоты периодических процессов.

Измерения электрических и магнитных величин на постоянном и переменном токе: силы тока, количества электричества, электродвижущей силы, напряжения, мощности, параметров магнитных полей. Радиоэлектронные измерения: интенсивности сигналов, параметров формы и спектра сигналов.

Измерения акустических величин: в воздушной среде и газах, в водной среде, в твердых телах, измерения уровня шума.

Оптические и оптико-физические измерения: световые, измерения оптических свойств материалов в видимой области спектра.

Измерения ионизирующих излучений: дозиметрических характеристик ионизирующих излучений, активности радионуклидов.

1.2.5 Физические величины и их единицы

Физические величины принято делить на основные и производные.

Основные величины не зависимы друг от друга, но они могут служить основой для установления связей с другими физическими величинами, которые называют производными от них. Основным величинам соответствуют основные единицы измерений, а производным - производные единицы измерений. Совокупность основных и производных единиц называется системой единиц физических единиц.

Первой системой единиц считается метрическая система, где за основную единицу длины был принят метр, за единицу веса - вес 1 куб. см химически чистой воды при температуре около + 4 С0 - грамм (позже килограмм). В 1799 г. были изготовлены первые прототипы (эталоны) метра и килограмма. Кроме этих двух единиц метрическая система в своем первоначальном виде включала еще и единицы площади (ар - площадь квадрата со стороной 10 м), объема (стер, равный объему куба с ребром 10 м), вместимости (литр, равный объему куба с ребром 0,1 м). Таким образом, в метрической системе еще не было четкого подразделения единиц измерений на основные и производные.

Понятие системы единиц как совокупности основных и производных впервые предложено немецким ученым К.Ф. Гауссом в 1832 г. В качестве основных в этой системе были приняты: единица длины - миллиметр, единица массы - миллиграмм, единица времени - секунда. Эту систему единиц назвали абсолютной.

В 1881 г. была принята система единиц физических величин СГС, основными единицами которой были: сантиметр, грамм, секунда. Производными единицами системы считались единица силы - килограмм-сила и единица работы - эрг. Неудобство системы СГС состояло в трудностях пересчета многих единиц в другие системы для определения их соотношения.

В начале XX века итальянский ученый Джорджи предложил еще одну систему единиц, получившей название МКСА, широко распространившуюся в мире. Основные единицы этой системы: метр, килограмм, секунда, ампер (единица силы тока), а производные: единица силы - ньютон, единица энергии - джоуль, единица мощности - ватт. Наиболее широко распространена в мире Международная система единиц СИ.

1.2.6 Международная система единиц физических величин

Генеральная конференция по мерам и весам (ГКМВ) в 1954 году определила шесть основных единиц физических величин для их использования в международных отношениях: метр, килограмм, секунда, ампер, градус Кельвина и свеча. XI Генеральная конференция по мерам и весам в 1960 г. утвердила Международную систему единиц, обозначаемую SI, на русском языке СИ. В последние годы Генеральная конференция приняла ряд дополнений и изменений, в результате чего в системе стало семь основных единиц, дополнительные и производные единицы физических величин, разработала определения основных единиц:

· единица длины - метр;

· единица массы - килограмм;

· единица времени - секунда;

· единица силы электрического тока - ампер;

· единица термодинамической температуры - кельвин;

· единица количества вещества - моль;

· единица силы света - кандела.

XI Генеральной конференцией по мерам и весам установлены следующие определения основных единиц СИ:

· Метр - есть длина отрезка, который пройдет свет в вакууме в течение (1/299792458) секунды;

· Килограмм - есть единица массы, равной массе международного эталона килограмма;

· Секунда - есть время, равное 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия -133 пи отсутствии возмущения со стороны внешних полей;

· Ампер - есть сила не изменяющегося тока, который будучи поддерживаемым в двух параллельных прямолинейных проводниках бесконечной длины и ничтожно малого круглого сечения, расположенных на расстоянии 1 м один от другого в вакууме вызвал бы между этими проводниками силу, равную 2*10-7 Н на каждый метр длины;

· Кельвин - есть единица термодинамической температуры, равная 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды;

· Моль - есть количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько атомов содержится в нуклиде углерода - 12 массой 0,012 кг;

· Кандела - есть сила света в определенном направлении от источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540*1012Гц, энергетическая сила которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср-1.

Международная система СИ считается наиболее совершенной и универсальной. Кроме основных единиц, в системе есть дополнительные единицы плоского и телесного углов - радиан и стерадиан, большое количество производных единиц пространства и времени, механических величин, тепловых, световых, акустических, электрических, магнитных величин, а также ионизирующих излучений.

После принятия Международной системы единиц практически все крупнейшие международные организации включили ее в свои рекомендации по метрологии и призвали все страны - члены этих организаций принять ее. В СССР система СИ официально была принята в 1963 году.

Резюме

Важнейшей задачей метрологии является обеспечение единства и точности измерений.

Измерения, как основной объект метрологии, могут быть классифицированы по способу получения информации, по характеру изменений измеряемой величины, по количеству измерительной информации, по отношению к основным единицам. Существуют также различные методы измерений.

Принято различать 12 областей измерения.

Объектом измерений являются физические величины, которые принято делить на основные и производные. В мире наиболее широко распространена Международная система единиц СИ.

1.3 Средства измерений

1.3.1 Виды средств измерений

Для практического измерения единицы величины применяются технические средства, которые имеют нормативные погрешности и называются средствами измерений. К средствам измерений относятся: меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки и системы, измерительные принадлежности. Мерой называют средство измерения, предназначенное для воспроизведения физических величин заданного размера. К данному виду средств измерений относятся гири, концевые меры длины. На практике используют однозначные и многозначные меры, а также наборы и магазины мер. Однозначные меры воспроизводят величину только одного размера (гиря). Многозначные меры воспроизводят несколько размеров физической величины, например, миллиметровая линейка, дает возможность выразить длину предмета в сантиметрах и миллиметрах.

Наборы и магазины мер представляют собой сочетание однозначных или многозначных мер для получения возможности воспроизведения промежуточной или суммарных значений величины. Набор мер представляет собой комплекс однородных мер разного размера, что дает возможность применять их в нужных сочетаниях (например, набор лабораторных гирь). Магазин мер - сочетания мер, объединенных конструктивно в одно механическое целое и имеющих приспособления для их соединения в различных комбинациях (например, магазины электрических сопротивлений).

К однозначным мерам относятся стандартные образцы и стандартные вещества.

Стандартный образец - это должным образом оформленная проба вещества (материала), которая подвергается метрологической аттестации с целью установления количественного значения определенной характеристики. К подобным образцам относятся, например, наборы минералов с конкретными значениями твердости для определения этого параметра у различных минералов.

Для пользования мерами следует учитывать номинальное и действительное значение мер, а также погрешность меры и ее разряд. Номинальным называют значение меры, указанное на ней. Действительное значение меры должно быть указано в специальном свидетельстве как результат высокоточного измерения с использованием специального эталона. Разность между номинальным и действительным значениями называется погрешностью меры. Величина, противоположная по знаку погрешности, представляет собой поправку к указанному на мере номинальному значению. Так как при аттестации (поверке) также могут быть погрешности, меры подразделяют на разряды (первого, второго и т.д.) и называют разрядными эталонами (образцовые измерительные средства), которые используют для поверки измерительных средств. Величина погрешности меры служит основой для подразделения меры на классы.

Измерительный преобразователь - это средство измерений, которое служит для преобразования сигнала измерительной информации в форму, удобную для обработки и хранения, а также передачи в показывающее устройство. Например, преобразователь необходим для передачи информации в память компьютера, для усиления напряжения. Преобразуемую величину называют входной, а результат преобразования - выходной величиной. Основной метрологической характеристикой измерительного преобразователя считается соотношение между входной и выходной величинами, называемое функцией преобразования. Преобразователи подразделяются на первичные (непосредственно воспринимающие измеряемую величину), передающие, на выходе которых величина приобретает форму, удобную для регистрации или передачи на расстояние; промежуточные, работающие в сочетании с первичными и не влияющие на измерение рода физической величины.

Измерительные приборы - это средства измерений, которые позволяют получать измерительную информацию в форме, удобной для восприятия пользователем. Различают измерительные приборы прямого действия и приборы сравнения.

Приборы прямого действия отражают измеряемую величину на показательном устройстве, имеющем соответствующую градуировку в единицах этой величины, например, амперметры, вольтметры, термометры. Приборы сравнения предназначаются для сравнения измеряемых величин с величинами, значения которых известны (например, приборы для измерения яркости излучения, давления сжатого воздуха).

Измерительные установки и системы - это совокупность средств измерений, объединенных по функциональному признаку со вспомогательными устройствами, для измерения одной или нескольких физических величин объекта измерений. Обычно такие системы автоматизированы и обеспечивают ввод информации в систему, автоматизацию самого процесса измерений, обработку и отражение результатов измерений для восприятия их пользователем. Такие установки (системы) используют для контроля, например, производственных процессов.

Измерительные принадлежности - это вспомогательные средства измерения величин. Они необходимы для вычисления поправок к результатам измерений, если требуется высокая степень точности. Например, термометр может быть вспомогательным средством, если показания прибора достоверны при строго регламентированной температуре; психрометр - если строго оговаривается влажность окружающей среды. По метрологическому назначению средства измерений делят на два вида - рабочие средства измерений и эталоны. Рабочие средства измерений применяют для определения параметров (характеристик) технических устройств, технологических процессов, окружающих сред и др. Рабочие средства могут быть лабораторными, производственными, полевыми (для самолетов, автомобилей, судов). Каждый из этих видов рабочих средств отличается особыми показателями. Лабораторные средства измерений самые точные и чувствительные, а их показания характеризуются высокой стабильностью, производственные обладают устойчивостью к воздействиям различных факторов производственного процесса: температуры, влажности, вибрации, что может сказаться на достоверности и точности показаний приборов. Полевые работают в условиях, постоянно изменяющихся в широких пределах внешних воздействий.

Особым средством измерений является эталон.

1.3.2 Классификация эталонов

Эталон - это высокоточная мера предназначенная для воспроизведения, хранения единиц величин с целью передачи ее размера другим средствам измерений. От эталона единица величины передается разрядным эталоном, а от них рабочим средствам измерений.

Эталоны классифицируются на первичные, вторичные и рабочие. Первичный эталон - это эталон, воспроизводящий единицу физической величины с наивысшей точностью, возможной в данной области измерений на современном уровне научно-технических достижений. Первичный эталон может быть национальным (государственным) и международным.

Национальный эталон утверждается в качестве исходного средства измерений для страны национальным органом по метрологии. Международные эталоны хранит и поддерживает Международное бюро мер и весов (МБМВ). Важнейшая задача деятельности МБМВ состоит в систематических международных сличениях национальных эталонов крупнейших метрологических лабораторий разных стран с международными эталонами, а также между собой, что необходимо для обеспечения достоверности, точности и единства измерений как одного из условий международных экономических связей. Сличению подлежат как эталоны основных величин системы СИ, так и производных. Установлены определенные периоды сличения, например, эталоны метра и килограмма сличают каждые 25 лет, а электрические и световые - один раз в три года.

Первичному эталону соподчинены вторичные и рабочие эталоны, размер воспроизводимой единицы вторичным эталоном сличается с государственным эталоном. Вторичные эталоны (эталоны - копии) могут утверждаться либо Госстандартом страны, либо государственными научными метрологическими центрами. Рабочие эталоны воспринимают размер единицы от вторичных эталонов и, в свою очередь, служат для передачи размера менее точному рабочему эталону и рабочим средствам измерений. Самыми первыми, официально утвержденными эталонами были прототипы метра и килограмма, изготовленные во Франции, которые в 1799 году были переданы на хранение в Национальный архив Франции, поэтому их стали называть «метр архива» и «килограмм архива». За последние годы получены высокие результаты точности и надежности эталонов, создаваемых на основе использования квантовых эффектов, что позволяет предположить возможность создания новых эталонов. Ученые полагают, что квантовые эталоны можно будет считать «вечными мерами», так как способность воспроизведения единиц физических единиц у таких эталонов не подвержена влиянию внешних условий, географического местонахождения и времени.

1.3.3 Критерии качества измерений

Между качеством измерений и качеством продукции существует непосредственная связь. Где качество измерений не отвечает требованиям технологического процесса, нельзя ожидать и высокого качества продукции. Проблемы обеспечения высокого качества продукции - это в значительной степени проблема измерений параметров качества материалов и комплектующих изделий, поддержания заданных технологических режимов, т.е. измерения параметров технологических процессов. Качество измерений - это совокупность свойств состояния измерений, обуславливающих получение результатов измерений с требуемыми точностными характеристиками, в необходимом виде и в установленный срок. К основным свойствам состояния измерений относятся:

· точность результатов измерений;

· сходимость результатов измерений;

· воспроизводимость результатов измерений;

· быстрота получения результатов;

· единство измерений.

Решение задачи обеспечения качества измерений достигается путем создания государственных эталонов, «привязки» к ним производственных измерений и установления различных метрологических правил и норм к измерениям и средствам измерений. Если не соблюдается единство измерений, даже самые тонкие измерения проводимые с помощью правильно подобранных средств измерений не дадут необходимых результатов.

Единство измерений - это состояние измерений, характеризующееся тем, что их результаты выражаются в узаконенных единицах, размеры которых в установленных пределах равны размерам единиц, воспроизводимых первичными эталонами, а погрешности результатов измерений известны и с заданной вероятностью не выходят за установленные пределы. Единство измерений основано на 4 основных принципах:

· результаты выражены в узаконенных единицах;

· размер единиц, хранимых средствами измерений, равен размерам единиц воспроизводимых первичными эталонами;

· погрешности результатов измерений известны;

· погрешности измерений не выходят за установленные пределы.

Без выполнения этих условий невозможно добиться единства измерений. Наиболее важным условием обеспечения единства измерений является «привязка» измерений к государственным эталонам, что в соответствии со стандартами ИСО серии 9000 является обязательным в обеспечении качества продукции.

Качество измерений характеризуется точностью, достоверностью, правильностью, сходимостью и воспроизводимостью измерений, а также размером допускаемых погрешностей.

Точность - это качество измерений, отражающее близость их результатов к истинному значению измеряемой величины. Высокая точность измерений соответствует малым погрешностям как систематическим, так и случайным.

Точность количественно оценивают обратной величиной модуля относительной погрешности. Например, если погрешность измерений равна 10-6, то точность будет равна 106.

Достоверность измерений характеризует степень доверия к результатам измерений. Достоверность оценки погрешностей определяют на основе законов вероятностей и математической статистики. Это дает возможность для каждого конкретного случая выбрать средства и методы измерений, обеспечивающие получение результата, погрешности которого не превышают заданных границ с необходимой достоверностью.

Под правильностью измерений понимают качество измерений, отражающее близость к нулю систематических погрешностей в результате измерений.

Сходимость - это качество измерений, отражающее близость друг к другу результатов измерений, выполняемых в различных условиях (в различное время, в различных местах, разными методами и средствами).

Погрешность измерений - это отклонение результата измерения от истинного (действительного) значения измеряемой величины. Погрешность измерений представляет собой сумму целого ряда составляющих, каждая из которых имеет свою причину. Можно выделить следующие группы причин возникновения погрешностей, связанных:

· с операцией настройки средства измерений или со смещением уровня настройки средств измерений во время эксплуатации;

· с установкой объекта измерения на измерительную позицию;

· с процессом получения, преобразования и выдачи информации в измерительной цепи средства измерения;

или обусловленных:

· внешними воздействиями на средства и объект измерений (изменением температуры и давления, влиянием электрического и магнитного полей, вибрации);

· свойством измеряемого объекта;

· квалификацией и состоянием оператора.

В зависимости от формы выражения различают абсолютную и относительную погрешности измерений.

Абсолютной называют погрешность измерений, выраженную в тех же единицах, что и измеряемая величина, например, 0,4 В; 2,5 мкм.

Относительная погрешность измерения представляет собой отношение абсолютной погрешности измерения к истинному значению измеряемой величины и выражается в процентах или долях измеряемой величины.

В зависимости от условий и режимов измерения различают статическую и динамическую погрешности.

Статической называют погрешность, не зависящую от скорости изменения величины во времени. Динамической называют погрешность зависящую от скорости изменения измеряемой величины во времени. Динамической погрешностью средства измерения является разность между погрешностью средства измерений в динамических условиях и его статистической погрешностью, соответствующей значению величины в данный момент времени. В зависимости от характера проявления, возможностей устранения и причин возникновения различают систематическую и случайную погрешности.

Систематической называют составляющую погрешности измерений, остающуюся постоянной или закономерно изменяющуюся при повторных измерениях одной и той же величины. Причинами возникновения систематических составляющих погрешностей измерения являются:

· отклонение параметров реального средства измерения от расчетных значений, предусмотренных схемой;

· неуравновешенность некоторых деталей средства измерений относительно их оси вращения, приводящая к дополнительному повороту за счет зазоров, имеющихся в механизме;

· упругая деформация деталей средства измерений, приводящая к дополнительным перемещениям;

· погрешность градуировки или небольшой сдвиг шкалы;

· износ рабочих поверхностей деталей средств измерений;

· усталостные изменения упругих свойств деталей, их естественное старение;

· неисправности средства измерений.

Случайной называют составляющую погрешности измерений, изменяющуюся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины.

Случайная погрешность возникает при одновременном воздействии многих источников, каждый из которых сам по себе оказывает незаметное влияние на результат измерений, но суммарное воздействие всех источников может оказаться достаточно сильным.

Грубые погрешности и промахи возникают из-за ошибок или неправильных действий оператора, а также при кратковременных резких изменениях условий проведения измерений (вибрации, поступлении холодного воздуха, толчке прибора оператором). Если грубые погрешности и промахи обнаруживают в процессе измерений, то результаты, содержащие их, отбрасывают. Погрешности измерений определяются, главным образом, погрешностями средств измерений. Различают погрешности средств измерений в статическом, динамическом режимах их применения, инструментальные и методические. Инструментальные погрешности возникают вследствие недостаточно высокого качества элементов средств измерений. Причиной возникновения методических погрешностей служит несовершенство метода измерений.

Каждое средство измерений работает в сложных, меняющихся во времени условиях. Наряду с чувствительностью к измеряемой величине средство измерений имеет некоторую чувствительность и к не измеряемым, но влияющим величинам, например, к температуре, атмосферному давлению, ударам, вибрации, электрическим и магнитным полям. При выполнении измерений в лабораторных условиях большинство влияющих величин может поддерживаться в узких пределах их измерения. Такие, оговоренные в нормативных и технических документах условия называют нормальными, а суммарную результирующую погрешность, возникающую в этих условиях - основной погрешностью.

При эксплуатации средств измерений на производстве возникают значительные отклонения от нормальных условий, вызывающие дополнительные погрешности. В условиях производства дополнительные погрешности могут оказаться больше основной.

Прогрессирующие погрешности - это погрешности, медленно изменяющиеся с течением времени. Они вызываются старением деталей средств измерений (резисторов, конденсаторов), деформацией механических деталей, усадкой бумажной ленты в самопишущих приборах. Особенностью этих погрешностей является то, что они могут быть скорректированы введением поправки лишь в данный момент времени, а далее вновь монотонно возрастать. Эти погрешности требуют непрерывного повторения коррекции. Основное свойство систематических погрешностей состоит в том, что они могут быть почти полностью устранены введением поправок. Например, погрешность градуировки, т.е. погрешность в положении делений, нанесенных на шкалу средства измерения, может быть устранена с составлением и использованием при измерении таблицы поправок на каждое деление.

Предел допускаемой погрешности средства измерений - это наибольшая без учета знака погрешность средства измерений, при которой оно может быть признано и допущено к применению. Данное определение применяют к основной и дополнительной погрешностям.

Важной задачей выполнения измерений является обнаружение систематических погрешностей с целью их исключения или учета. Под исключением систематических погрешностей подразумевают уменьшение их до уровня незначительных случайных составляющих. Общими способами исключения систематических погрешностей являются введение поправок и устранение источников их появления как до начала измерения, так и в процессе его. К специальным относятся способы: замещения, компенсации погрешности по знаку, противопоставления, симметричных наблюдений.

Наиболее экономичный путь повышения точности средств измерений - это метод коррекции систематических погрешностей автоматическими устройствами, используемые в большинстве измерительных преобразователей. Эти устройства производят автоматическую оценку возникающей погрешности и вводят соответствующую поправку в результат измерения. Наиболее современным способом коррекции является снабжение средства измерения автоматической ЭВМ, обрабатывающей параметры измерения и вычисляющей уже скорректированные значения результатов измерений.

1.3.4 Классы точности средств измерений

Под классом точности средств измерений понимают их обобщённые характеристики, определяемые пределами допускаемых основной и дополнительной погрешности, а также другими свойствами средств измерений, влияющими на их точность, значения которых устанавливаются в стандартах на отдельные виды средств измерений.

Средствам измерений с двумя или более диапазонами измерений одной и той же физической величины допускается присваивать два или более класса точности. Например, электроизмерительному прибору, предназначенному для измерения силы постоянного тока в диапазонах 0-10; 0-20; 0-50 А, могут быть для отдельных диапазонов присвоены различные классы точности. Средствам измерений, предназначенным для измерений двух или более физических величин, допускается присваивать различные классы точности для каждой измеряемой величины. Например, электроизмерительному прибору, предназначенному для измерений электрического напряжения и сопротивления, могут быть присвоены два класса точности: один как вольтметру, другой - как омметру.

Средства измерений должны удовлетворять требованиям к метрологическим характеристикам, установленным для присвоения класса точности как при выпуске их из производства, так и в ходе эксплуатации.

Средствам измерений при их разработке присваивают классы точности с учётом результатов государственных приемочных испытаний. Если в стандарте или технических условиях установлено несколько классов точности, то допускается присваивать класс точности при выпуске из производства, а также понижать класс точности по результатам поверки. Например, класс точности для концевых мер длины может быть присвоен при выпуске мер из производства или изменен в процессе эксплуатации, если в ходе её отклонение длины меры от номинального значения превысило предел допускаемых отклонений для класса точности, присвоенного ранее.

Обозначения классов точности наносится на циферблаты, щитки и корпуса средств измерений, приводятся в нормативных и технических документах. Обозначения могут иметь форму заглавных букв латинского алфавита или римских цифр (I, II, III, IV и т.д.) с добавлением условных знаков. Смысл этих обозначений раскрывается в нормативной и технической документации. Если класс точности обозначается арабскими цифрами с добавлением условного знака, то эти цифры непосредственно устанавливают оценку снизу точности показаний средства измерений.

Единые правила установления пределов допускаемых погрешностей по классам точности измерений регламентирует ГОСТ 8.401-80.

1.3.5 Характеристика средств измерений

Средства измерений обладают комплексом специфических свойств и параметров: конструктивных, функциональных (эксплуатационных), эргономических, эстетических и других. Из функциональных наиболее важными являются такие как чувствительность, пределы и диапазоны измерений, размах и вариация показаний, надёжность, стабильность и погрешность.

Под чувствительностью понимается свойство средства измерений, определяемое отношением изменения выходного сигнала этого средства к вызывающему его изменению измеряемой величины. Различают абсолютную и относительную чувствительность.

Поскольку в практике больше всего используются средства измерений с равномерной шкалой, то чувствительность принято выражать через параметры шкалы - длину и цену деления. Длиной деления шкалы считается расстояние между центрами двух соседних отметок, а ценой деления разность значений величины, соответствующих двум соседним отметкам.

Исходя из этого абсолютную чувствительность определяют из соотношения а/с, где а - длина деления, с - цена деления шкалы.

Свойство средств измерений откликаться на малые изменения измеряемой величины называют реагированием. То наименьшее значение величины, которое вызывает заметное (при обычном способе отсчёта) изменение выходного сигнала называют порогом реагирования или порогом чувствительности.

Важными параметрами средств измерений являются диапазон и пределы измерения. Та область значений измеряемой величины, в пределах которой погрешности средств измерений нормированы (точно известны) называется диапазоном измерений. Значения величины, ограничивающие диапазон сверху и снизу (слева и справа) называют соответственно верхним и нижним пределами измерения, т.е. это наибольшее и наименьшее значение величины, которые могут быть измерены данным средством.

Ряд средств измерений выпускаются не с одним, а с несколькими диапазонами, например весы, pH - метры, полярографы и другие. Эти приборы более удобны в использовании, более экономичны, но зато менее надёжны.

Для практики измерений весьма важным свойством средств измерений является постоянство их показаний, при воздействии одной и той же измеряемой величины.

Под размахом понимают разность между наименьшим и наибольшим значением отсчёта, полученным при повторных воздействиях одной и той же величины в одних и тех же условиях. Вариацией считается разность показаний в одной и той же точке диапазона измерений при плавном подходе к ней «справа» и «слева» (или «сверху» и «снизу»).

Надёжность средств измерений различают функциональную и метрологическую, под первой понимают безотказность и долговечность работы в исправном состоянии. Под второй - способность сохранять метрологические характеристики в пределах установленных норм в течение заданного времени. Очень близким к этому является свойство стабильности - способность средств измерений сохранять неизменными метрологические характеристики в период их эксплуатации. К метрологическим характеристикам относят характеристики таких свойств, которые влияют на результат измерений или его погрешность.

Одной из составляющих погрешности измерений является инструментальная погрешность, т.е. погрешность, связанная со средствами измерений. Эта погрешность обусловлена влиянием конструкции, технологии изготовления, эксплуатацией, хранением и условиями, в которых используется средство измерений. В виду множества причин, вызывающих появление таких погрешностей их подразделяют на систематические и случайные. К систематическим инструментальным погрешностям относятся погрешности настройки, износа и старения.

В зависимости от способа выражения различают абсолютные, относительные и приведённые погрешности; по отношению к условиям применения - основные и дополнительные. Разность между показанием средств измерений и действительным значением величины, выраженная в единицах измерения этой величины, называется абсолютной погрешностью:

DХ = Хп-Хд,

где Хп - показание средств измерений.

Различают абсолютную погрешность меры, измерительного преобразователя и прибора. В случае меры под её погрешностью понимается разность между номинальным и действительным значением величины, воспроизводимым мерой:

DХм = Хм-Хд.

Номинальное значение меры - это значение, предписанное ей при изготовлении.

Однако на практике значительно удобнее и нагляднее пользоваться относительной погрешностью, которая выражается отношением абсолютной погрешности к действительному значению величины (а в случае меры - к номинальному её значению):

S = DХ/Хд.

Если диапазон измерений включает и нулевое значение величины, то в этой точке шкалы относительная погрешность превращается в бесконечное. В этом случае пользуются приведённой погрешностью, равной отношению абсолютной погрешности к некоторому, условно принятому, нормирующему значению Хn, за которое чаще всего принимается значение верхнего предела измерений

g = DХ/Хn.

Относительную и приведённую погрешности обычно выражают в процентах:

s = 100DХ/Хд,

g = 100DХ/Хn.

Основной погрешностью средств измерений (DХ) называют погрешность, присущую данному средству в нормальных условиях его эксплуатации: нормальными считают такие условия, когда влияющие на результат измерения внешние факторы (температура, влажность, давление, запылённость, вибрация, частота и напряжение питания, магнитное поле и т.д.) имеют нормальное значение или находятся в пределах нормальной области значений. Такими условиями считают температуру 20±20 С, относительную влажность воздуха в пределах 60-80%, атмосферное давление 101,3 кПа (760 мм рт. ст.), отсутствие вибрации, магнитных полей, ионизирующих излучений и т.п. Для различных средств измерений эти условия могут отличаться. Их значения указываются в стандартах, паспортах и инструкциях по эксплуатации средств измерений.