Материал: Н.Н. Акифьева. Метрология, стандартизация и сертификация

Г лава 1. Основные сведения об измерениях и средствах измерений

Н.Н. Акифьева Метрология, стандартизация и сертификация Конспект лекций

Часть 1. Основы метрологии.

Введение 5

1 Основные сведения о метрологии 7

1.1 Предмет метрологии 7

1.2 Важнейшие метрологические понятия 9

1.3 Классификация измерений 16

1.4 Обеспечение единства измерений в Российской Федерации 19

2 Физические величины, их единицы и эталоны 25

2.1 Физические величины и их единицы 25

2.2 Порядок передачи размеров единиц физических величин 26

2.3 Эталоны единиц основных физических величин 28

2.3.1 Эталон единицы длины 28

2.3.2 Эталон единицы массы 29

2.3.3 Эталон единицы времени 30

2.3.4 Эталон единицы силы электрического тока 31

2.3.5 Эталон единицы температуры 33

2.3.6 Эталон единицы силы света 36

3 Точность измерений 38

3.1 Классификация погрешностей 38

3.2 Случайные погрешности. Вероятностный подход к их описанию 38

3.2.1 Распределение случайных погрешностей 38

3.2.2 Доверительный интервал случайной погрешности 41

3.2.3 Проверка гипотезы о соответствии распределения случайных погрешностей нормальному 42

3.3 Систематические погрешности 45

3.3.1 Обнаружение и исключение систематических погрешностей 45

3.3.2 Инструментальные погрешности 47

3.3.3 Методические погрешности ( на примере измерения температуры термоэлектрическим преобразователем) 48

3.4 Правила округления значений погрешности и результата измерений 50

4 Средства измерений и их характеристики 54

4.1 Классификация средств измерений 54

4.2 Статические и динамические характеристики средств измерений 56

4.3 Нормируемые метрологические характеристики средств измерений 64

5 Методики выполнения измерений 72

5.1 Общие положения 72

5.2 Нормируемые метрологические характеристики методик выполнения измерений 74

6 Обработка результатов измерений 79

6.1 Основы статистической обработки результатов измерений, содержащих случайные погрешности 79

6.2 Обработка результатов прямых измерений 79

6.3 Прямые однократные измерения 83

6.4 Обработка результатов косвенных измерений 85

6.4.1 Косвенные измерения при отсутствии корреляции между погрешностями измерений аргументов 86

6.4.2 Косвенные измерения при наличии корреляции между погрешностями измерений 90

7 Метрологическое обеспечение в Российской Федерации 93

7.1 Метрологические службы и организации 93

7.1.1 Метрологические службы и организации Российской Федерации 93

7.1.2 Международные метрологические организации 94

7.2 Нормативные документы по обеспечению единства измерений 94

7.3 Метрологический надзор и контроль 95

7.3.1 Государственный метрологический контроль и надзор 96

7.3.2 Метрологический контроль и надзор, осуществляемый метрологической службой юридического лица 99

7.4 Поверка и калибровка средств измерений 100

7.4.1 Общие положения 100

7.4.2 Виды и способы поверок средств измерения 102

Приложение 1. Важнейшие единицы Международной системы (СИ) 106

Приложение 2. Значения при различном уровне значимости q и различных степенях свободы r. 113

Приложение 3. Значение коэффициента t для случайной величины, имеющей распределение Стьюдента с n – 1 степенями свободы 113

Приложение 4. Значения функции Лапласа 114

Приложение 5. Пример проверки нормальности распределения результатов измерения 115

Предметный указатель 118

Введение

Метрология, как наука об обеспечении единства измерений и способах достижения требуемой точности измерений, является необходимым компонентом любого инженерного образования. Понимание проблем метрологии позволяет инженеру с необходимой критичностью относится к результатам своей деятельности, приучает к аккуратности, воспитывает требовательность к себе.

В нашей стране накоплен огромный метрологический опыт, создана система обеспечения единства измерений, действует федеральный закон «Об обеспечении единства измерений», работает множество государственных и частных, имеющих государственную аккредитацию учреждений, обеспечивающих метрологический контроль. Отечественная метрологическая библиография очень обширна, в стране издано множество трудов по метрологии как общего характера, так и посвященных отдельным метрологическим проблемам. Российская метрология имеет хорошо разработанную нормативную базу.

Тем не менее, сегодня отечественная метрология испытывает многочисленные реформы. Реформируется и приводится в соответствие с международными стандартами нормативная база, перестраивается структура государственных учреждений, ответственных за обеспечение единства измерений в Российской Федерации.

Целью одной из реформ является переход к техническим регламентам, как форме документа, устанавливающего обязательные требования к продукции, процессам производства, а следовательно и к измерениям и средствам измерений [20].

Целью другой реформы является гармонизация отечественных и международных метрологических правил и норм. Один из главных шагов этой реформы - прямое применение с 1 ноября 2002 г. в Российской Федерации международных стандартов ИСО 5725 1-6 под общим заголовком «Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений». Стандарты ГОСТ Р ИСО 5725 1-6 представляют собой полный аутентичный текст международных стандартов ИСО 5725 1-6 [12-17].

Следующая реформа касается структуры государственных учреждений, ответственных за обеспечение единства измерений в Российской Федерации. Реструктуризация производится в рамках общей реформы исполнительной власти, начавшейся весной 2004 года после переизбрания Президента Российской Федерации. Главный шаг реструктуризации - передача полномочий Комитета Российской Федерации по стандартизации, метрологии и сертификации (Госстандарта России) вновь созданному Федеральному агенству по техническому регулированию и метрологии.

В предлагаемом учебном пособии авторы предприняли попытку отразить основные положения всех перечисленных реформ в той части, в которой они касаются метрологии.

1Основные сведения о метрологии

1.1 Предмет метрологии

Каждую секунду в стране выполняются сотни миллионов измерительных операций, результаты которых используются для обеспечения безопасной и безаварийной работы промышленных и энергетических агрегатов, оптимизации протекающих в них процессов. Затраты на обеспечение операций измерений, испытаний и контроля составляют до 20% от общих затрат на производство продукции. Только высокая и гарантированная точность результатов измерений обеспечивает правильность принимаемых решений на всех уровнях управления производством. Теоретической основой измерений и измерительной техники является метрология.

Метрология – (греч. «метро»-мера, «логос»-учение) наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Предметом метрологии является получение количественной информации о свойствах объектов и процессов, т.е. измерение свойств объектов и процессов с требуемой точностью и достоверностью.

Фундаментальным понятием метрологии является понятие измерения. Под измерением понимают совокупность операций, выполняемых с помощью специального технического средства, хранящего единицу измеряемой величины, позволяющего сопоставить измеряемую величину с ее единицей и получить значение этой величины. Результат измерений величины Х записывается в виде Х=А[Х], где А – безразмерное число, называемое числовым значение физической величины; [Х] – единица физической величины. Данное определение отражает цель измерения, а также исключает возможность использования этого понятия вне связи с измерительной техникой.

Важнейшей целью метрологии является обеспечение единства измерений. Единство измерений необходимо для сопоставления результатов измерений, выполненных различными измерительными устройствами, в разных местах и в разное время. Единство измерений - состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах величин и погрешности измерений не выходят за установленные границы с заданной вероятностью.

Деятельность по обеспечению единства измерений расширяется с увеличением масштабов производства, ростом темпа научно-технического прогресса, появлением в производстве, быту и других сферах деятельности многообразия объектов, выполняющих аналогичные функции. Цель этой деятельности – обеспечить сопоставимость результатов измерений, создав тем самым базу для правильного, а затем и наилучшего выбора. Таким образом, в условиях многообразия предложений, сопоставимость результатов измерений позволяет осуществлять экономичный выбор, с учетом факторов качества и стоимости.

Значение деятельности по обеспечению единства измерений все более возрастает при расширении международных обменов и торговли. Эта деятельность направлена на защиту интересов отечественных потребителей и производителей от пагубных последствий как неверных толкований результатов измерений, так и недостоверных результатов самих измерений. Такие последствия достаточно часто имело место в так называемые «годы перестройки», когда темпы роста международной торговли и обменов явно опережали темпы гармонизации отечественных и международных метрологических стандартов и норм. Для примера можно привести торговлю и обмен в области фармацевтических продуктов и товаров для здоровья.

Огромное значение имеет обеспечение единства измерений и, в частности, контроль за достижением требуемой точности и достоверности в ситуациях, касающихся безопасности или здоровья человека, состояния имущества граждан, окружающей среды, животных или растений. Любой гражданин цивилизованного общества вправе располагать информацией о значении жизненно важных параметров, которой можно безоговорочно доверять.

Получение достоверной, сопоставимой информации о значении физических параметров путем измерений, выполняемых с соблюдением принципов единства – есть цель и предмет метрологии. Таким образом, метрология – это то, что непосредственно влияет на качество нашей жизни.

1.2Важнейшие метрологические понятия

В п.1.1 были приведены четыре фундаментальных метрологических понятия – понятие самой метрологии, ее предмета, понятие измерения и понятие единства измерений.

В настоящем разделе рассматриваются другие важнейшие понятия, используемые в метрологии и измерительной технике и относящиеся к ним термины и определения.

Здесь следует дать краткое пояснение тому, что авторы подразумевают под словом «термин» и словом «понятие». «Термины – слова или словосочетания, являющиеся точным обозначением предметов, явлений, свойств, отношений, процессов и др. в какой-нибудь специальной области производства, техники, науки, искусства, общественной жизни и др. Термин не только регистрирует понятие, но уточняет его и отделяет от смежных» (Большая Советская Энциклопедия). Термин можно рассматривать как обозначение, «этикетку» понятия. Термин – это прежде определенное слово, за которым закрепляется понятие, выраженное в развернутом определении. Понятия любой науки, в том числе и метрологии, складывались в условиях международного сотрудничества в течение многих десятков лет и смысл их развернутых определений является довольно общепринятым и устоявшимся. Другое дело – термины или обозначения понятия. Обозначения, а именно - слова, закрепляемые за тем или иным развернутым определением могут меняться. И метрологическая терминология в этом отношении особо показательна.

Как правило, термины документируются в стандартах. Отечественные документы на метрологическую терминологию разрабатывались, несмотря на значительные трудности, начиная с 30-х годов. Большой вклад в упорядочение отечественной метрологической терминологии внес заслуженный деятель науки и техники проф.С.Ф.Маликов. Под его руководством и при его непосредственном участии были подготовлены два стандарта по метрологическим терминам: ОСТ ВКС 7636 «Меры и измерительные приборы. Основные метрологические термины и определения» и заменивший его ГОСТ 3951-47 с аналогичным названием. В 1970 году ГОСТ 3951-47 был заменен на ГОСТ16263-70 «Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Термины и определения». В настоящее время действующим документом на метрологическую терминологию является РМГ 29-99 (Рекомендации по межгосударственной стандартизации) «Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Основные термины и определения» [25]. К моменту издания данного учебного пособия, в РМГ 29-99 должны быть внесены изменения, направленные на гармонизацию отечественной метрологической терминологии и международной метрологической терминологии. Основные изменения будут связаны с прямым применением в Российской Федерации с 2002 года международных метрологических стандартов ИСО 5725 –1-6-2002 «Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений» [12-17]. Подробнее вопрос прямого применения международных метрологических стандартов рассмотрен в п.5.5.

В дальнейшем изложении, при обозначении важнейших понятий использованы термины и определения, близкие к рекомендованным РМГ 29-99 [25], с учетом поправок, связанных с прямым применением международных метрологических стандартов. В тех случаях, когда использование того или иного термина не имело традиций в отечественной метрологической практике, а вызвано процессом гармонизации с международной метрологической терминологией, в тексте пособия даются соответствующие комментарии.

В настоящем разделе рассматриваются те понятия, которые являются важнейшими не только для метрологии, но и для других областей знаний и практической деятельности.

Понятия, термины и определения, не имеющие широкого значения, отнесены к соответствующим разделам учебного пособия.

Одним из важнейших общеметрологических понятий является понятие объекта измерения. Объектом измерения является физическая величина – общее свойство в качественном отношении для физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта (КПД электростанций, напряжение в электросети и т.д.). В последнее время кроме физических величин в прикладной метрологии начали использовать и так называемые нефизические величины. Это связано с применением термина «измерение» в экономике, управлении качеством, банковском деле, информатике и т.п.