Метрология, стандартизация, сертификация

Индукционный преобразователь особой конструкции применяется для измерения расхода жидкости (рис. 3.17).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3.17. Идея электромагнитного расходомера

В трубу, по которой течёт жидкость, вставляется кусок трубы длиной L из изоляционного и немагнитного материала (оранжевый цвет на рисунке). С помощью постоянного магнита этот кусок трубы пронизывается магнитным потоком с индукцией В. Если жидкость электропроводная (в частности, это может быть вода), то, протекая между электродами (чёрный цвет на рисунке), она образует проводники, движущиеся в магнитном поле, поэтому на электродах независимо от свойств жидкости наводится ЭДС

E = BVD,

где V - скорость движения жидкости; D - диаметр трубы, т.е. длина проводников.

Скорость V связана с объёмным расходом:

откуда ;



Практически ЭДС Е составляет несколько милливольт.

метрология стандартизация сертификация

3.8 Пьезоэлектрические измерительные преобразователи

3.8.1 Принцип действия

Прямой пьезоэлектрический эффект (далее - пьезоэффект) состоит в появлении электрических зарядов на гранях некоторых диэлектриков под влиянием механических напряжений. При снятии напряжений диэлектрик приходит в исходное состояние. Такие диэлектрики называют пьезоэлектриками.

В качестве пьезоэлектриков применяются кварц, титанат бария, сегнетова соль и др. Наибольшее применение для измерений нашёл кварц, у которого пьезоэлектрические свойства сочетаются с высокой механической прочностью.

В кристаллах кварца различают три главных оси (рис. 3.18): продольную оптическую ось Z - Z; электрические оси Х - Х, проходящие через рёбра шестигранной призмы нормально к оптической оси; нейтральные или механические оси Y - Y.



Рис. 3.18 Оси симметрии кристалла кварца

Если из кристалла кварца вырезать параллелепипед таким образом, чтобы его грани были параллельны электрической, механической и оптической осям, то под влиянием сил FX и FY, действующих перпендикулярно оптической оси, на плоскостях, перпендикулярных электрической оси, появятся заряды. При действии силы FZ электризации кварца не происходит.

Если на параллелепипед действует растягивающая сила FX, то на каждой из граней bc (b и с - рёбра параллелепипеда), перпендикулярных электрической оси Х, появятся заряды. Значение заряда не зависит от геометрических размеров кристалла:

Q = kFX,

где k = 2,31·10-12 - пьезоэлектрический модуль кварца.

При сжатии кристалла силой FX заряды имеют противоположный знак.

Пьезоэффект, возникающий при действии силы, направленной вдоль электрической оси, называется продольным пьезоэффектом.

Если растягивающая сила FY направлена вдоль механической оси Y, то заряды тоже возникают только на гранях, перпендикулярных электрической оси Х, но знак будет обратным по сравнению со случаем приложения растягивающей силы FX вдоль оси Х и значение заряда зависит от геометрических размеров кристалла:

,

где a и b - длина рёбер параллелепипеда.

Отношение b/a иногда увеличивают для повышения чувствительности преобразователя.

Пьезоэффект, возникающий при действии силы, направленной вдоль механической оси, называется поперечным пьезоэффектом.

Заряд, возникающий на гранях пьезоэлемента, сохраняется лишь при отсутствии утечки, т.е при бесконечно большом входном сопротивлении измерительной цепи. Поскольку это условие невыполнимо, для статических измерений пьезоэлектрические преобразователи не используются, они применяются только для измерения динамических величин. При действии переменной силы количество электричества всё время восполняется и становится возможным потребления некоторого тока измерительной цепью.

3.8.2 Измерительные цепи

Выходная мощность пьзоэлектрических преобразователей мала, поэтому они всегда используются с усилителями. Пусть воздействующая сила изменяется по синусоидальному закону:

F = Fmsinщt.

Тогда

Q = k Fmsinщt = Qmsinщt,

где k - пьезомодуль; Qm - амплитуда заряда.

От заряда (количества электричества) можно перейти к току:

cosщt. (3.17)

На рис. 3.19,а показана эквивалентная схема пьезоэлектрического преобразователя ПП вместе со входной цепью подключённого к нему усилителя У. Здесь С0 и R0 - ёмкость и сопротивление между гранями пьезоэлектрика, Свх и Rвх - входная ёмкость и входное сопротивление усилителя, а активный элемент ПП представлен источником тока, соответствующего (3.17). Этот ток преобразуется в напряжение u на входе усилителя.

На рис. 3.19,б параллельно соединённые ёмкости и сопротивления объединены:

С = С0 + Свх; .

Переходя к комплексной форме изображения синусоидальных величин, можно записать:

; ; ; ; .

Модуль комплексного напряжения

,

где ф = RC; н(щ) = .

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3.19 Эквивалентная схема пьезоэлектрического преобразователя вместе со входной цепью усилителя (а) и она же в более простом виде (б).

При щ = 0 имеем н(щ) = 0 и U = 0, а при (щф)2 >> 1 н(щ) > 1 и

U >

Отсюда ясно, что частотный диапазон ограничен снизу, причём нижняя граница fн зависит от ф: чем больше ф, тем меньше fн. Вместе с тем ясно, что увеличивать ф путём увеличения ёмкости С (присоединять конденсатор параллельно входу усилителя) невыгодно, т.к. при этом снижается чувствительность преобразователя

.

Увеличения ф без снижения S можно достичь за счёт увеличения R. Сопротивление R0 практически определяется поверхностным сопротивлением пьезоэлектрика и при герметизации преобразователя обычно составляет 1 - 10 ГОм, поэтому при Rвх << R0 значение R практически определяется Rвх. Следовательно, для расширения частотного диапазона в сторону низких частот нужно применять усилители с высоким Rвх.

Ограничение со стороны высоких частот связано с механическими резонансными явлениями. Частотная характеристика преобразователя - зависимость чувствительности S от частоты f изменяющейся силы c неизменной амплитудой показана на рис. 3.20. Реальный частотный диапазон может быть, например, от нижней границы fн = 10 Гц до верхней границы fв = 10 кГц.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3.20 Частотная характеристика пьезоэлектрического преобразователя.

Пьезоэлектрические преобразователи применяются для измерения переменных сил, давлений, ускорений. Их достоинства - простота конструкций, высокая надёжность. Наиболее широкое применение они нашли для измерения вибрационных ускорений. {3К21}

3.9 Термоэлектрические измерительные преобразователи

3.9.1 Принцип действия

Термоэлектрические преобразователи основаны на термоэлектрическом эффекте, который был открыт в 1821 г. немецким физиком Зеебеком. {3К22}

Этот эффект (рис. 3.21) состоит в том, что если любым способом соединить два проводника А и Б из разных материалов (сварить, спаять, просто скрутить) и место этого соединения нагреть до некоторой температуры и, а свободные концы оставить при исходной температуре и0 < и, то между ними образуется разность потенциалов, т.е. возникает ЭДС Е, которая является разностью функций и и и0:

E = F(и) - F(и0). (3.18)

Эту ЭДС называют термоэлектродвижущей силой (термо-ЭДС), а проводники А и Б - термоэлектродами.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3.21 К пояснению сущности термоэлектрического эффекта.

У разных металлов и сплавов термо-ЭДС сильно отличаются друг от друга. Существуют таблицы термо-ЭДС для различных металлов и сплавов в паре с платиной при и = 100 0С и и0 = 0 0С, например, у железа + 1,8 мВ; у никеля - 1,5 мВ. При выборе пар - их называют термопарами - желательно иметь:

высокую чувствительность

при и0 = 0 0С;

линейную функцию преобразования Е(и);

широкий рабочий диапазон иmin ? иmax;

химическую стойкость в агрессивных средах;

механическую прочность.

На термопары, получившие наибольшее применение имеется стандарт. {3К23}

Основным вопросом при конструировании промышленных термоэлектрических преобразователей является выбор материала защитной трубы (арматура) и изоляция термоэлектродов. Защитная арматура должна оградить преобразователь от воздействия горячих, химически агрессивных газов, быстро его разрушающих. Арматура должна быть газонепроницаемой, хорошо проводящей тепло, прочной и жароупорной. Кроме того, при нагревании она не должна выделять газа или пара, вредных для термоэлектродов. При температурах до 600 0С обычно применяют стальные трубы, до 1100 0С - трубы из легированных сталей, до 1400 0С - фарфоровые. В качестве изоляции термоэлектродов применяют кварцевые (до 1000 0С) и фарфоровые (до 1400 0С) трубки или бусы. {3К24}

3.9.2 Измерительные цепи

Термо-ЭДС, развиваемые термопарами в диапазоне от иmin до иmax составляют для разных типов от 10 до 50 мВ. Для измерения таких ЭДС могут использоваться, например, аналоговые или цифровые вольтметры, а также компенсаторы постоянного тока (см. раздел 2.1).

Выбираемое средство измерений должно обеспечивать достаточно малый ток потребления от термопары. При этом результат измерений будет мало зависеть от нестабильного сопротивления линии связи между термопарой и средством измерений (это сопротивление обычно не превышает 10 Ом).

Как выбрать материал проводов Аґ, Бґ линии связи (рис. 3.22)?

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3.22 К вопросу о выборе материала проводов линии связи

Соединение электрода А с проводом Аґ - это тоже термопара, также, как и соединение электрода Б с проводом Бґ. Температура и0 свободных концов термопары АБ может доходить до 100 0С, а температура и1 на другом конце линии связи - комнатная. Если бы соединение электродов А и Б (так называемый «рабочий конец») основной термопары находился при температуре и0 (рис. 3.23,а), а свободные концы - при температуре и1, то она развивала бы некоторую термо-ЭДС Е0.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3.23 О термоэлектрической идентичности «удлинительных электродов» с основной термопарой

Если материал проводов Аґ и Бґ выбран произвольно, то при тех же условиях термопара Аґ Бґ (рис. 3.23,б) разовьёт термо-ЭДС Е0 ґ другого значения. Разность Е0 - Е0 ґ создаёт погрешность измерения температуры и в схеме рис. 3.22. Этой погрешности можно избежать двумя способами:

применять для линии связи провода из тех же материалов А и Б, что и основная термопара;

применять для неё провода из таких материалов Аґ и Бґ , которые в диапазоне температур до и0 обладают термоэлектрической идентичностью с термопарой АБ, т.е. обеспечивают Е0 = Е0 ґ.

В обоих случаях такие провода линии связи получили название «удлинительные термоэлектроды». Первый способ не применяют для термопар из благородных металлов и их сплавов, т.к. это дорого, а также, если материал термоэлектродов не гибкий, как, например, сплавы хромель и алюмель.

При названном условии термоидентичности вместо (3.18) можно записать

E = F(и) - F(и1).

Ясно, что E может служить мерой и, если и1 = const или если влияние изменений и1 компенсируется. {3К25}

3.10 Методы электрических измерений неэлектрических величин

3.10.1 Введение

В предыдущих разделах мы рассмотрели принципы, на которых основано большинство широко распространённых измерительных преобразователей (ИП) неэлектрических величин (НВ) в электрические (ЭВ), их конструкции, измерительные цепи, в которые включаются эти преобразователи. В ряде случаев один и тот же ИП может быть применён для измерения разных неэлектрических величин. Вместе с тем одна и та же НВ может быть измерена с использованием разных ИП.

Кроме того, не всегда та неэлектрическая величина, на которую непосредственно реагирует ИП, - её называют «естественной входной величиной», - например, деформация тензопреобразователя, является предметом измерения. Предметом измерения может быть другая НВ, например, давление жидкости. Поэтому датчики часто содержат не только ИП какой-либо естественной НВ в ЭВ, но и предварительный преобразователь измеряемой неэлектрической в эту естественную для данного ИП неэлектрическую величину. В приведённом примере это может быть мембрана, на которую наклеены тензорезисторы, т.е. преобразователь давления в деформацию.

Названное многообразие побуждает сделать краткий обзор методов измерения неэлектрических величин. Мы далее придерживаемся в нём классификации, принятой во многих отечественных и зарубежных книгах, например, в [1] ? [3].

3.10.2 Методы измерения линейных размеров

Измеряемые линейные размеры находятся в очень широком диапазоне: от долей микрометра до многих километров. В [1] этот общий диапазон условно разделё на четыре:

очень малые размеры - от долей до единиц микрометров;

малые - до 100 мм;

большие - до нескольких метров;

очень большие - от нескольких метров и выше; это область радиолокационных измерений, которые у нас не рассматриваются.

Измерение очень малых размеров преимущественно связано с контролем шероховатости поверхности для оценки качества её обработки. Соответствующие приборы основаны на методе ощупывания испытуемой поверхности и называются профилометрами и профилографами. Первые позволяют оценить только визуально высоту шероховатости, а вторые дают возможность получить профилограмму поверхности. В этих приборах используются индуктивные, емкостные и пьезоэлектрические ИП.

Приборы для измерения малых размеров - это так называемые микрометры и толщиномеры. В них используются все рассмотренные ИП, кроме, разумеется, терморезисторов и термопар.

Измерение больших размеров - это в основном уровнемеры. В них используются реостатные, индуктивные и емкостные ИП. В них часто используется идея поплавка. Положение поплавка определяется измеряемым уровнем жидкости, например, бензина. Через тяги и рычаги перемещение поплавка передаётся на подвижную часть ИП, например, на подвижный контакт реостатного ИП. Таким образом, здесь есть предварительное преобразование сравнительно большого размера (положения поплавка) в сравнительно малое (положение подвижной части ИП).

3.10.3 Методы измерения механических напряжений и усилий

Механическое напряжение

Механическое напряжение материала - важнейший показатель при испытаниях различных конструкций на прочность. Оно непосредственно связано с относительной деформацией:

у =Ееl,

где Е - модуль упругости (модуль Юнга).

Для стали, например, Е = 2,06·1011 Па.

Деформация является естественной входной величиной тензорезисторных ИП. Именно они и применяются для измерения механических напряжений. Тензорезисторы наклеивают на детали испытуемого механизма, машины, конструкции.

Механические усилия

Механические усилия проявляются в трёх вариантах: сосредоточенная сила, давление и крутящий момент.

В большинстве случаев механические усилия измеряются с использованием предварительных преобразователей измеряемой величины в перемещение. Для сосредоточенных сил это спиральные пружины, стержни, консольные балки, кольца; для давления - мембраны, сильфоны, трубки Бурдона; для крутящего момента - вал. Чем меньше перемещение, тем меньше погрешность, вносимая предварительным преобразователем, поэтому здесь применяют ИП с малым перемещением подвижной части - тензорезисторные, индуктивные, емкостные.

Без предварительных преобразователей механические усилия измеряют с помощью пьезоэлектрических ИП.

3.10.4 Методы измерения параметров движения

Параметры движения - это перемещение, скорость и ускорение. Они связаны между собой дифференциальными зависимостями. Поэтому, если какой-либо один из этих параметров является естественной входной величиной для данного ИП, то другие два можно измерить с использованием дифференцирующих и интегрирующих преобразователей.

Само движение может быть поступательным и колебательным (вибрация).

Приборы для измерения скорости называются велосиметрами (от лат. velocitas и англ. velocity - скорость), для измерения ускорения - акселерометрами (от лат. acceleratio, англ. acceleration и франц. acceleration - ускорение), для измерения виброперемещений - виброметрами.

Параметром движения жидких и газообразных тел является расход вещества, проходящего через трубопровод данного сечения. Расход может быть объёмным (м3/ч) и массовым (кг/ч). С расходом связан его интеграл - объём или масса вещества, прошедшего за данное время.

Диапазон измеряемых скоростей огромен, он перекрывает 10 и более порядков величин: примерно от 10 -7 м/с (например, скорость оседания шахтной кровли) до 104 м/с (космические скорости); для вращательного движения - от долей оборота в секунду до 5000 об./с.

Диапазон измеряемых ускорений также очень велик: примерно от 10-5 до 104 м/с2.

Амплитуда измеряемых вибромеремещений бывает от долей микрометра до сотен миллиметров, виброускорений - от 10-1g до 103g (в виброметрии ускорения принято выражать в количестве значений ускорения свободного падения g ? 9,81 м/с2).

Диапазон измерения объёмного расхода бывает примерно от 10-3 до 104 м3/ч.

Есть две группы ИП для измерения параметров движения:

ИП, основанные на непосредственном контакте движущегося объекта с неподвижной базой (не обязательно механическом контакте, он может быть оптическим, акустическим и др.). У этих ИП естественной входной величиной является перемещение.

Инерциальные ИП. У них естественной входной величиной является ускорение.

Для измерения медленных перемещений при поступательном движении применяются те же методы, что и для измерения линейных размеров. Перемещения колёсного транспорта (пройденный путь) обычно определяют методом суммирования дискретных значений этого перемещения, равных длине окружности колеса. За каждый оборот колеса (или за его дробную долю) получают импульс, например, с помощью индукционного преобразователя. Импульсы суммирует счётчик. Так же проводят измерения на конвейерах, прокатных лентах и т.п.

При движении по воде применяют вертушки (лаги). Естественной входной величиной для них является объёмный расход воды, прошедшей через сечение преобразователя. Он пропорционален скорости движения, а интеграл расхода, т. е. объём прошедшей воды - пройденному пути. Для летящих тел, например, ракет, применяют инерциальные приборы и для получения пройденного пути дважды интегрируют выходной сигнал ИП, пропорциональный ускорению.

Для измерения скоростей на земле применяют индукционные ИП - их выходной сигнал пропорционален скорости. Сам их принцип таков, что они дифференцируют перемещение. Для измерения скорости ракет применяют инерциальные приборы с интегрированием их выходного сигнала.

Для измерения параметров вибраций применяют индукционные и пьезоэлектрические ИП вместе с дифференцирующими и интегрирующими преобразователями.

3.10.5 Методы измерения температуры

Диапазон измеряемых температур распространяется от долей градуса до десятков тысяч градусов термодинамической температурной шкалы. {3К26}

Для измерения температуры до 1100 0С используется температурная зависимость электрического сопротивления металлов, до 2500 0С - температурная зависимость ЭДС термопар. При измерении температуры в узком диапазоне используется температурная зависимость электрического сопротивления полупроводников. Все названные варианты соответствуют контактным методам измерения температуры: ИП находится в соприкосновении с объектом, температура которого измеряется.

Существуют и бесконтактные методы - измерение температуры по тепловому излучению. Соответствующие приборы получили название пирометров.(Пирометр - от греч. pyr - огонь). Название традиционное, но не очень удачное, потому что оно распространяется не только на приборы измеряющие высокие температуры расплавленных металлов и сплавов, но и низкие, меньше 100 0С, по инфракрасному излучению, когда никакого огня нет. Пирометры здесь не рассматриваются. Подробные сведения о них можно найти в [1] и [4].

Литература к разделу 3.

1. Туричин А.М. Электрические измерения неэлектрических величин. - 4-е изд. - М.-Л.: изд-во «Энергия», 1966. - 690 с.: ил.

2. Нуберт Г.П. Измерительные преобразователи неэлектрических величин (перевод с англ.). - Л.: изд-во «Энергия», 1970. - 360 с.: ил.

3. Основы метрологии и электрические измерения: Учебник для вузов/Б.Я. Авдеев, Е.М. Антонюк, Е.М. Душин и др.: Под ред. Е.М. Душина. - 6-е изд., - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ие, 1987. - 480 с.: ил.

4. Куинн Т. Температура (перевод с англ.). - М.: изд-во «Мир», 1985. - 448 с., ил.

4. Метрологическое обеспечение

4.1 Основы метрологического обеспечения

4.1.1 Определение

Метрологическое обеспечение (МО) - это установление и применение научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерений [1].

4.1.2 Четыре основы МО

Четыре основы МО:

научная;

организационная;

нормативная;

техническая.

Их содержание показано на рис. 4.1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4.1 Содержание четырёх основ метрологического обеспечения

4.1.3 Нормативная база МО

Конституционная норма.

Вся метрологическая деятельность в РФ основывается на конституционной норме (Конституция Российской Федерации, статья 71), которая:

устанавливает, что в федеральном ведении находятся стандарты, эталоны, метрическая система и исчисление времени;

закрепляет централизованное руководство основными вопросами законодательной метрологии, такими как единицы ФВ, эталоны и др.

В развитие этой конституционной нормы приняты федеральные законы «Об обеспечении единства измерений» [2] и «О техническом регулировании» [3].

Закон «Об обеспечении единства измерений»

Основными целями Закона «Об обеспечении единства измерений» являются:

установление правовых основ обеспечения единства измерений в РФ;

регулирование отношений государственных органов управления с юридическими и физическими лицами по вопросам изготовления, выпуска, эксплуатации, ремонта, продажи и импорта средств измерений;

защита прав и законных интересов граждан, установленного правопорядка и экономики РФ от отрицательных последствий недостоверных результатов измерений;

содействие прогрессу на основе создания и применения государственных эталонов единиц физических величин;

гармонизация российской системы измерений с мировой практикой.

Закон закрепляет ряд основных понятий метрологии. Одним из главных является единство измерений. {4К1}

Кроме этого, в Законе даны определения таких понятий, как средство измерений, эталон единицы величины, метрологическая служба, метрологический контроль и надзор, поверка и калибровка средства измерений, сертификат об утверждении типа средств измерений, аккредитация на право поверки средств измерений, лицензия на изготовление (ремонт, продажу, прокат) средств измерений, сертификат о калибровке. Приведенные определения соответствуют официальной терминологии Международной организации законодательной метрологии (МОЗМ).

Закон устанавливает, что государственное управление деятельностью по обеспечению единства измерений в РФ осуществляет Комитет Российской Федерации по стандартизации, метрологии и сертификации (Госстандарт России) {4К2}, и определяет его цели, задачи, компетенцию, ответственность и полномочия.

Закон определяет, что в Российской Федерации допускаются к применению единицы физических величин Международной системы единиц, принятой Генеральной конференцией по мерам и весам, рекомендованные МОЗМ. Государственные эталоны единиц величин используются в качестве исходных для передачи их размеров всем средствам измерений данных величин на территории России.

Закон требует, чтобы средства измерений соответствовали условиям эксплуатации и установленным требованиям, разрабатываемым на основе рекомендаций Госстандарта. Решения об отнесении технического устройства к средствам измерений и установлении интервалов между поверками принимает Госстандарт России. Измерения должны осуществляться в соответствии с аттестованными в установленном порядке методиками. Порядок разработки и аттестации методик выполнения измерений устанавливает также Госстандарт.

Закон определяет Государственную метрологическую службу и иные государственные службы обеспечения единства измерений, метрологические службы государственных органов управления РФ и юридических лиц, их задачи и полномочия. Кроме того, он задает виды, полномочия, зоны ответственности и порядок осуществления государственного метрологического контроля и надзора, осуществляемого Государственной метрологической службой Госстандарта России. В областях, где надзор и контроль не применяются, используются правила, введенные положением Российской системы калибровки.

Закон «Об обеспечении единства измерений» укрепляет правовую основу для международного сотрудничества в области метрологии.

Государственная система обеспечения единства измерений

Положения закона «Об обеспечении единства измерений» были расширены Государственной системой обеспечения единства измерений (ГСИ). Она представляет собой комплекс нормативных документов межрегионального и межотраслевого уровней, устанавливающих правила, нормы, требования, направленные на достижение и поддержание единства измерений в стране (при требуемой точности), утверждаемых Госстандартом. Основными объектами ГСИ являются:

- единицы ФВ;

- государственные эталоны и общесоюзные поверочные схемы;

- методы и средства поверки средств измерений (СИ);

- номенклатура и способы нормирования метрологических характеристик СИ;

- нормы точности измерений;

- формы представления результатов и показателей точности измерений;

- методики выполнения измерений;

- термины и определения в области метрологии;

- организация и порядок проведения государственных испытаний СИ, поверки и метрологической аттестации СИ и испытательного оборудования; калибровки СИ, метрологической экспертизы нормативно-технической, проектной, конструкторской и технологической документации, а также экспертизы и данных о свойствах материалов и веществ.

Нормативные документы

Текущая метрологическая деятельность регламентируется постановлениями Правительства РФ.

Для реализации положений закона «Об обеспечении единства измерений» и постановлений Правительства РФ разрабатываются и принимаются подзаконные акты - нормативные документы - документы, устанавливающие правила, общие принципы или характеристики, касающиеся различных видов деятельности или их результатов.

К нормативным документам по метрологии, действующим на территории России, относятся следующие:

Стандарт. Согласно [3, статья 2], это документ, в котором в целях добровольного многократного использования устанавливаются характеристики продукции, правила осуществления и характеристики процессов производства, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации и утилизации, выполнения работ или оказания услуг. Стандарт также может содержать требования к терминологии, символике, упаковке, маркировке или этикеткам и правилам их нанесения.

Технические условия (ТУ) - нормативный документ, устанавливающий технические требования, которым должна удовлетворять продукция, процесс или услуга. Технические условия на конкретную продукцию (услугу) утверждаются предприятием-разработчиком, как правило, по согласованию с предприятием-заказчиком (потребителем).

Правила (ПР) по стандартизации, метрологии, сертификации, аккредитации представляют собой нормативный документ, устанавливающий обязательные для применения организационно-технические и (или) общетехнические положения, порядки, методы выполнения.

Рекомендации (Р) (в том числе и межгосударственные РМГ) по стандартизации, метрологии, сертификации, аккредитации являются нормативными документами, содержащими добровольные для применения организационно-технические и (или) общетехнические положения, порядки, методы выполнения работ, а также рекомендуемые правила выполнения этих работ.

Методические инструкции (МИ) и руководящие документы (РД) являются нормативными документами методического содержания.

4.1.4 История законодательной метрологии

Первым метрологическим законодательным правилом, очевидно, следует считать библейское изречение из Пятикнижия Моисеева: «13. В кисе твоей не должны быть двоякие гири, ..., двоякая ефа, ... 15. Гиря ... и ефа у тебя должна быть точная и правильная, ... 16. Ибо мерзок пред Господом, Богом твоим, всякий делающий неправду». (Ветхий Завет, Второзаконие, гл. 25).

Первые упоминания о необходимости единообразия мер - одного из аспектов законодательной метрологии - в Древней Руси встречаются с X в. в церковных уставах и княжеских грамотах. Развитие научных, правовых и организационных основ метрологии обусловило качественный скачок в законодательной метрологии - переход от установления единообразия мер к обеспечению единства измерений. Первым нормативным документом, регламентирующим такую переориентацию, явился ГОСТ 8.000-72 «Государственная система обеспечения единства измерений. Основные положения», а первым законодательным - постановление Совета Министров СССР «Об обеспечении единства измерений в стране» (1983). Необходимость закрепления основных положений обеспечения единства измерений актом наиболее высокого ранга, определяемая принципами правового государства, привела к принятию Закона РФ от 27 апреля 1993 г. «Об обеспечении единства измерений». Закон установил правовые основы обеспечения единства измерений в РФ и определил свою направленность на защиту прав и законных интересов граждан, установленного правопорядка и экономики РФ от отрицательных последствий недостоверных результатов измерений.

Принятием Закона практически завершена иерархическая законодательная схема в области обеспечения единства измерений (рис. 4.2):

Рис. 4.2. Иерархия в области обеспечения единства измерений.

Во главе схемы (1) - конституционная норма (Конституция РФ, 1996, ст. 71), которая относит метрологическую деятельность к основным видам общегосударственной деятельности.

В развитие этой нормы разработан и принят 27 апреля 1993 г. Верховным Советом РФ Закон РФ «Об обеспечении единства измерений» (2).

Постановлением ВС РФ № 4872-1 о введении в действие этого Закона предусмотрена разработка постановлений Совета Министров - правительства РФ по отдельным (реперным) направлениям метрологической деятельности [3], в т.ч. постановления Правительства РФ от 12 февраля 1994 г. № 100 «Об организации работ по стандартизации, обеспечению единства измерений, сертификации продукций и услуг».

Прикладная метрологическая деятельность осуществляется в соответствии с конкретными нормативными, методическими, справочными и информационными документами по обеспечению единства измерений, массив которых составляет около 2500 наименований [4].

4.1.5 Эталоны

Эталонная база России.

Эталонная база России имеет в своём составе более 100 государственных эталонов (ГЭ) и более 300 вторичных эталонов. Они обеспечивают единство и требуемую точность измерений не только в нашей стране, но и в большинстве стран ближнего зарубежья, исходные эталоны которых в основном поверяются по ГЭ Российской Федерации.

В области электрических и магнитных величин единство измерений обеспечивают 33 государственных эталона.

Эталонная база России является, с одной стороны, самостоятельной и независимой, а с другой стороны, адаптированной к европейской и мировой системам обеспечения единства измерений.

Назначение эталонов.

Эталоны создают для воспроизведения и (или) хранения единиц физических величин (далее - единиц) и передачи их размеров средствам измерений, применяемым и стране, с целью обеспечения единства измерений. При помощи эталона воспроизводят и (или) хранят одну единицу или несколько взаимосвязанных единиц.

Первичные (исходные) и вторичные (подчинённые) эталоны.

Эталоны по подчиненности подразделяют на первичные (исходные) и вторичные (подчиненные).

Основаниями для создания исходных эталонов являются:

- широкое распространение рабочих средств измерений, градуированных в данных единицах;

- целесообразность воспроизведения единицы в одном органе государственной метрологической службы;

- техническая возможность создания эталона и передачи размера единицы, воспроизводимой им, с необходимой точностью.

Основанием для создания подчиненных эталонов является целесообразность:

- предохранения исходного эталона от преждевременного износа;

- обеспечения сличений эталонов;

- контроля за неизменностью размера единицы, воспроизводимой исходным эталоном.

Первичные эталоны в зависимости от условий воспроизведения единицы могут иметь разновидность - специальные первичные эталоны (далее - специальные эталоны).

Согласно стандарту [4], первичные эталоны воспроизводят и (или) хранят единицы и передают их размеры с наивысшей точностью, достижимой в данной области измерений. Составляющие погрешностей эталонов и способы их выражения должны соответствовать стандарту [5].

Специальные эталоны воспроизводят единицы в условиях, в которых прямая передача размера единицы от первичного эталона с требуемой точностью технически неосуществима (высокие и сверхвысокие частоты; малые и большие энергии, давления или температуры, особые состояния веществ и т.п.).

Первичные и специальные эталоны являются исходными для страны и их утверждают в качестве государственных эталонов. Им присваивают наименование «Государственный первичный эталон» или «Государственный специальный эталон».

К вторичным эталонам относят эталоны-копии, эталоны сравнения и рабочие эталоны.

Эталоны-копии предназначены для передачи размера единицы рабочим эталонам.

Эталоны сравнения предназначены для взаимного сличения эталонов, которые по тем или иным причинам нельзя непосредственно сличать друг с другом.

Рабочие эталоны предназначены для поверки наиболее точных рабочих средств измерений.

Одиночные и групповые эталоны, эталонные наборы.

Воспроизведение и (или) хранение единицы допускается осуществлять одиночными средствами измерений, входящими в состав эталонов, их группой или набором. По этому признаку эталоны подразделяют на одиночные и групповые эталоны, а также эталонные наборы.

Одиночный эталон состоит из одного средства измерений или одной измерительной установки, обеспечивающих воспроизведение и (или) хранение единицы самостоятельно, без участия других средств измерений того же типа.

Групповой эталон состоит из совокупности однотипных средств измерений, применяемых как одно целое для повышения точности и метрологической надежности эталона.

Допускается создавать групповые эталоны постоянного и переменного составов.

В групповые эталоны переменного состава входят средства измерений, периодически заменяемые новыми.

Отдельные средства измерений, входящие в групповой эталон, допускается применять в качестве одиночных эталонов меньшей точности, если это не противоречит правилам хранения и применения эталона.

Эталонный набор представляет собой набор средств измерений, позволяющих хранить единицу или измерять физическую величину в определенном диапазоне, в котором отдельные средства измерений имеют различные номинальные значения или диапазоны измерений. Различают эталонные наборы постоянного или переменного состава.

Государственные эталоны создает, утверждает, хранит и применяет Госстандарт РФ.

Точность воспроизведения единицы и передачи её размера должна соответствовать уровню лучших мировых достижений и удовлетворять потребностям народного хозяйства страны.

В состав государственных эталонов включают средства измерений, при помощи которых:

- воспроизводят и (или) хранят единицу;

- контролируют условия измерений и неизменность воспроизводимого и хранимого размера единицы;

- осуществляют передачу размера единицы.

Допускается включать в состав эталонов другие специально для него созданные технические средства (в том числе устройства для автоматической регистрации и обработки показаний).

Вторичные эталоны создают, хранят и применяют министерства (ведомства).

Утверждают вторичные эталоны главные центры (центры) государственных эталонов по специализации (далее - центры эталонов).

Вторичные эталоны по метрологическим характеристикам должны удовлетворять требованиям государственных поверочных схем.

В состав вторичных эталонов включают средства измерений, при помощи которых:

- хранят единицу и контролируют условия хранения;

- передают размер единицы (если такие средства имеются).

Допускается применять одно средство измерений для передачи размера единицы от нескольких эталонов, находящихся в одном центре эталонов, органе государственной метрологической службы или иной метрологической службе. В этом случае его включают в состав одного из этих эталонов.

В течение всего срока службы эталонов исследуют их свойства с целью обеспечения неизменности размеров воспроизводимых и (или) хранимых ими единиц и повышения точности эталонов.

Государственные эталоны подлежат международным сличениям,

Для наблюдения за правильным хранением, сличением и исследованием эталонов, а также выполнением других требований назначают ученых хранителей эталонов.

В случае если невозможно применить государственный эталон (отказ, утрата и др.), его функцию по решению Госстандарта временно передают вторичному эталону.

Дополнительная информация о национальных, международных и межгосударственных эталонах приведена в {4К4}, а по истории развития метрологии электрических измерений - в {4К5}.

4.1.6 Поверочные схемы

Передачу размеров единиц от эталонов следует производить в соответствии с поверочными схемами, требования к которым установлены стандартом [6].

Передача размеров единиц ФВ от эталонов рабочим мерам и измерительным приборам осуществляется с помощью рабочих эталонов. {4К3}

Рабочие эталоны при необходимости подразделяются на разряды 1;2 и т.д., определяющие порядок их соподчинения в соответствии с поверочной схемой. Исходя из требований практики для различных видов измерений устанавливают, различное число разрядов рабочих эталонов, определяемых стандартами на поверочные схемы для данного вида измерений.

Обеспечение правильной передачи размера единиц ФВ во всех звеньях метрологической цепи осуществляется посредством поверочных схем.

Поверочная схема - это нормативный документ, который устанавливает соподчинение средств измерений, участвующих в передаче размера единицы от эталона к рабочим СИ с указанием методов и погрешности.

Поверочные схемы делятся на государственные и локальные.

Государственная поверочная схема распространяется на все СИ данной ФВ, имеющиеся в стране. Она разрабатывается в виде государственного стандарта, состоящего из чертежа поверочной схемы и текстовой части, содержащей пояснения к чертежу.

Локальная поверочная схема распространяется на СИ данной ФВ, применяемые в данном регионе, отрасли, ведомстве или на отдельном предприятии (организации).

Локальные поверочные схемы не должны противоречить государственным поверочным схемам для СИ одних и тех же ФВ. Они могут быть составлены при отсутствии государственной поверочной схемы. В них допускается указывать конкретные типы (экземпляры) СИ.

Поверочные схемы оформляют в виде чертежа, элементы которого приведены на рис. 4.3. [1].

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4.3 Элементы графического изображения поверочных схем при передаче размера от эталона к объекту поверки: 1 - эталон; 2 и 3 - методы передачи размера единицы; 4 и 5 - объекты поверки

Поверочная схема устанавливает передачу размера единиц одной или нескольких взаимосвязанных величин. Она должна включать не менее двух ступеней передачи размера. Поверочную схему для СИ одной и той же величины, существенно отличающихся по диапазонам измерений, условиям применения и методам поверки, а также для СИ нескольких ФВ допускается подразделять на части. На чертежах поверочной схемы должны быть указаны:

наименования СИ и методов поверки;

номинальные значения ФВ или их диапазоны;

допускаемые значения погрешностей СИ;

допускаемые значения погрешностей методов поверки.

4.1.7 Государственные первичные эталоны ампера, вольта, ома, фарада и генри

Государственный первичный эталон для средств измерений силы постоянного тока [7] состоит из комплекса следующих средств измерений:

1) аппаратура, выполненная на основе использования квантовых эффектов Джозефсона и квантования магнитного потока, включая меру напряжения, меру электрического сопротивления, сверхпроводящий компаратор тока и регулируемые источники тока; эта аппаратура воспроизводит значения тока 1 мА и 1 А;

2) аппаратура, выполненная на основе использования методов электрометрии, включая входной блок с набором мер постоянной ёмкости, интегратор, измерительный блок с частотомером, цифровым вольтметром и компаратором; эта аппаратура воспроизводит значения тока в диапазоне 10-16 ? 10-9.

Государственный первичный эталон для средств измерений электродвижущей силы и постоянного напряжения [8] применяют для воспроизведения единицы ЭДС в абсолютной мере посредством реализации эффекта Джозефсона и передачи её размера эталону-копии и эталонам сравнения методом прямых измерений. В качестве эталона-копии и эталонов сравнения применяют группы термостатированных насыщенных нормальных элементов. Номинальное значение ЭДС эталона-копии и эталонов сравнения составляет 1 В.

Государственный первичный эталон для средств измерений сопротивления состоит из комплекса следующих средств измерений:

- установка для воспроизведения квантового сопротивления Холла;

- группа из десяти манганиновых мер сопротивления с номинальным значением 1 Ом;

- мостовая измерительная установка;

- наборы переходных мер сопротивления для передачи размера единицы вторичным эталонам в диапазоне 10-3 ? 109 Ом.

Государственный первичный эталон для средств измерений ёмкости [9] состоит из комплекса следующих средств измерений:

- расчётный конденсатор и интерферометр в едином вакуумном блоке;

- емкостной трансформаторный мост.

Номинальное значение электрической ёмкости, воспроизводимое эталоном, составляет 0,2 пФ.

Государственный первичный эталон применяют для передачи размера единицы ёмкости эталонам сравнения и эталонам-копиям сличением при помощи емкостного трансформаторного моста при частоте 1 кГц. В качестве эталонов сравнения применяют меры ёмкости с номинальным значением 10 пФ. В качестве эталонов-копий применяют расчётные одиночные конденсаторы с номинальными значениями ёмкости 0,4 и 0,5 пФ и группы конденсаторов с номинальным значением ёмкости 10 пФ.

Государственный первичный эталон для средств измерений индуктивности [10] состоит из комплекса следующих средств измерений:

- группа из четырёх тороидальных катушек индуктивности (групповой эталон);

- индуктивно-емкостной мост.

Номинальное значение индуктивности каждой из катушек эталона составляет 10 мГн.

Государственный первичный эталон применяют для передачи размера единицы индуктивности эталонам сравнения и эталонам-копиям сличением при помощи индуктивно-емкостного моста при частоте 1 кГц. В качестве эталона сравнения применяют группу из четырёх тороидальных катушек с номинальными значениями индуктивности 10 мГн. В качестве эталонов-копий применяют группу тороидальных катушек с номинальными значениями индуктивности 10 мГн, цилиндрические катушки с номинальными значениями индуктивности 3 мГн, группу цилиндрических катушек с с номинальными значениями индуктивности 20 ? 30 мГн.

Согласно [5] погрешность государственных первичных эталонов характеризуется:

- неисключённой систематической погрешностью;

- случайной погрешностью;

- нестабильностью.

Допускается указывать случайную погрешность воспроизведения единицы с учётом передачи её размера или последнюю указывать отдельно.

Неисключённая систематическая погрешность, лежащая в границах ± и характеризуется границей и без указания знака. Случайная погрешность характеризуется средним квадратическим отклонением (СКО) результата измерений S при воспроизведении единицы (или при воспроизведении единицы и передаче её размера) с указанием числа независимых наблюдений. Нестабильность н характеризуется изменением размера единицы за определённый промежуток времени, который указывается.

Погрешность передачи размера единицы, обусловленную влиянием случайных погрешностей метода и средств измерений, применённых при передаче, характеризуют СКО результата измерений Sе.

Обозначения и; S; н и Sе даны в соответствии с [5]. В относительной форме эти величины в [5] обозначены ио; Sо; но и Sео.

Оценку неисключённой систематической и случайной погрешностей находят на основании экспериментальных данных, полученных при исследовании эталона и анализа влияющих величин; неисключённую систематическую погрешность - ещё и на основании анализа погрешностей метода воспроизведения единицы и международных сличений с эталонами других стран. Оценку нестабильности, вызываемую старением его отдельных элементов и другими причинами, находят на основании исследований эталона во времени, а также по данным периодических международных сличений.

В оценку погрешности передачи размера единицы должны входить как неисключённые систематические, так и случайные погрешности метода и средств передачи.

В табл. 1 по данным [7]; [9]; [10] приведены значения Sо и ио для трёх эталонов.

Таблица 1.

Электрическая величина	Sо	ио
Сила постоянного тока	5·10-8 при 1 мА и 1 А; 10-2 ? 2·10-4 при 10-16 ? 10-9 А при 10 наблюдениях	2·10-7 при 1 мА и 1 А; 0,025 ? 5·10-4 при 10-16 ? 10-9 А
Ёмкость	2·10-7	5·10-7
Индуктивность	10-6	5·10-6

В табл. 2 по данным [8] приведены значения Sео и но для эталона ЭДС и постоянного напряжения при передаче размера единицы эталону-копии и эталонам сравнения (значения Sо и ио для этого эталона в [8] не даны).

Таблица 2.

	Sео	но
При передаче эталону-копии	1,3·10-8	5·10-8
При передаче эталонам сравнения	1,2·10-7	6·10-7

По данным [11, стр. 491] суммарная погрешность воспроизведения единицы сопротивления с учётом передачи её размера от квантового сопротивления Холла к эталонным мерам не превышает 4,5·10-8, а суммарное СКО передачи размера единицы в пределах диапазона от 10-3 до 109 Ом находится в пределах от 5·10-8 до 10-6.

4.2 Метрологические службы

4.2.1 Государственный комитет РФ по стандартизации и метрологии

Государственное управление деятельностью по обеспечению единства измерений в РФ осуществляет Комитет Российской Федерации по стандартизации и метрологии (Госстандарт России). Он является федеральным органом исполнительной власти, осуществляющим межотраслевую координацию, а также функциональное регулирование в области стандартизации, метрологии и сертификации (СМС). В своей деятельности он руководствуется Конституцией РФ, федеральными законами, указами и распоряжениями Президента РФ, постановлениями и распоряжениями Правительства РФ, а также Положением о Государственном комитете Российской Федерации по стандартизации и метрологии.

Госстандарт осуществляет деятельность непосредственно и через находящиеся в его ведении территориальные центры СМС, а также через государственных инспекторов по надзору за государственными стандартами и обеспечению единства измерений.

В ведении Госстандарта России находятся:

Государственная метрологическая служба (ГМС);

- Государственная служба времени и частоты и определения параметров вращения Земли (ГСВЧ) - сеть организаций, несущих ответственность за воспроизведение и хранение единиц времени и частоты и передачу их размеров, а также за обеспечение потребителей в народном хозяйстве информацией о точном времени, за выполнение измерений времени и частоты в установленных единицахи шкалах.;

- Государственная служба стандартных, образцов состава и свойств веществ и материалов (ГССО) - сеть организаций, несущих ответственность за создание и внедрение стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов с целью обеспечения единства измерений.;

- Государственная служба стандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществ и материалов (ГСССД) - сеть организаций, несущих ответственность за получение и информационное обеспечение заинтересованных лиц данными о физических константах и свойствах веществ и материалов, основанных на исследованиях и высокочастотных измерениях..

Основные задачи Госстандарта России в области метрологии:

- реализация государственной политики в сфере СМС, установления и использования стандартов, эталонов и единиц величин и исчисления времени;

- осуществление мер по защите прав потребителей и интересов государства в области контроля за соблюдением требований безопасности товаров (работ, услуг);

- обеспечение функционирования и развития систем стандартизации, обеспчения единства измерений, сертификации, аккредитации и научно-технической информации в этих областях, а также их гармонизация с международными и национальными системами зарубежных стран;

- организация и проведение государственного контроля и надзора за соблюдением обязательных требований государственных стандартов, правил обязательной сертификации за сертифицированной продукцией, а также государственного метрологического контроля и надзора;

- формирование совместно с федеральными органами исполнительной власти федеральных информационных ресурсов и инфраструктуры СМС, аккредитации, качества и классификации технико-экономической информации.

Для решения этих задач Госстандарт России:

Разрабатывает предложения по приоритетным направлениям развития работ по СМС, их научному, правовому, организационно-техническому, методическому, финансовому и информационному обеспечению, а также по преодолению «технических барьеров» во внешней торговле.

Принимает участие в разработке прогнозов социально-экономического развития Российской Федерации, федеральных целевых программ по СМС; выступает государственным заказчиком этих программ, участвует в формировании и реализации иных федеральных и межгосударственных целевых программ в части их нормативного обеспечения качества и метрологического обеспечения.

Рассматривает, оценивает и подготавливает заключения по проектам федеральных целевых программ.

Разрабатывает и вносит в установленном порядке в Правительство РФ проекты федеральных законов и иных нормативных правовых актов по вопросам СМС, дает по ним заключения.

Организует выполнение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в закрепленных областях деятельности, а также устанавливает правила проведения работ по СМС и аккредитации, государственному контролю и надзору в подведомственных областях, осуществляет методическое руководство этими работами.

Организует проведение работ по межведомственной унификации продукции, методов контроля, испытаний и испытательного оборудования.

Формирует технические комитеты по стандартизации для разработки стандартов, осуществляет методическое руководство и координацию их деятельности. Принимает и вводит в действие государственные стандарты Российской Федерации и общероссийские классификаторы, проводит экспертизу проектов государственных стандартов и других нормативных документов в области СМС и аккредитации на соответствие федеральному законодательству.

Устанавливает общетехнические нормы и правила, обеспечивающие техническую и информационную совместимость при разработке, эксплуатации и использовании продукции, а также совместимость требований на общепромышленную продукцию с нуждами обороны страны.

Устанавливает правила применения в Российской Федерации международных стандартов, национальных стандартов, правил, норм и рекомендаций по СМС, аккредитации и качеству зарубежных стран. Осуществляет государственную регистрацию нормативных документов по СМС и аккредитации.