Волковой М.С. Метрология

11

ный угол, прямой угол и т.д.) в радианах выражаются трансцендентными числами (2π, π/2 и т.д.).

Производные единицы СИ образуются из основных единиц по определенным формулам, например момент инерции J, кг м2 , а также образуются с помощью простейших уравнений между величинами, в которых числовые коэффициенты равны единице. Так, для линейной скорости в качестве определяющего уравнения можно воспользоваться выражением для

скорости равномерного прямолинейного движения l . t

При длине пройденного пути l (в метрах) и времени t, за которое пройден этот путь, (в секундах) скорость выражается в метрах в секунду (м/с). Поэтому единица скорости СИ – метр в секунду – это скорость прямолинейно и равномерно движущейся точки, при которой она за время 1 с перемещается на расстояние 1 м.

Если в определяющее уравнение входит числовой коэффициент, то для образования производной единицы в правую часть уравнения следует подставлять такие числовые значения исходных величин, чтобы числовое значение определяемой производной единицы было равно единице. Например, единица кинетической энергии СИ – килограмм-метр в квадрате на секунду в квадрате – это кинетическая энергия тела массой 2 кг, движущегося со скоростью 1 м/с, или кинетическая энергия тела массой 1 кг, движущегося со скоростью 2 м/с. Эта единица имеет наименование – джоуль (сокращенное обозначение Дж) [12].

Кратные и дольные единицы

Наиболее прогрессивным способом образования кратных и дольных единиц является принятая в метрической системе мер десятичная кратность между большими и меньшими единицами.

В табл. 1.1 приводятся множители и приставки для образования десятичных кратных и дольных единиц и их наименования.

12

Следует учитывать, что при образовании кратных и дольных единиц площади и объема с помощью приставок может возникнуть двойственность прочтения в зависимости от того, куда добавляется приставка. Так, сокращенное обозначение 1 км2 можно трактовать и как 1 квадратный километр, и как 1000 квадратных метров, что, очевидно, не одно и то же (1 квадратный километр = 1 000 000 квадратных метров). В соответствии с международными правилами кратные и дольные единицы площади и объема следует образовывать, присоединяя приставки к исходным единицам. Таким образом, степени относятся к тем единицам, которые получены в результате присоединения приставок. Например, 1 км2 = 1 (км)2 = = (103 м)2 = 106 м2 [10].

1.1.2. Метрологическое обеспечение

Государственная система обеспечения единства измерений

Решение важнейших научно-технических задач, в том числе проблемы обеспечения качества продукции, в значительной степени зависит от достижения единства и достоверности измерений. На рис. 1.1 приведена система обеспечения единства измерений [12].

Единство измерений – состояние измерительного процесса, при котором результаты всех измерений выражаются в одних и тех же узаконенных единицах измерения и оценка их точности обеспечивается с гарантированной доверительной вероятностью. В применявшихся до недавнего времени методах измерений погрешность результатов измерений почти полностью определялась погрешностями средств измерений. Поэтому для

13

достижения единства измерений было достаточно обеспечить единообразие их средств, т.е. такое состояние средств измерений, при котором они проградуированы в узаконенных единицах, а их метрологические свойства соответствуют нормам.

Измерительная

техника

Система обеспечения единства измерений

Рис. 1.1. Система обеспечения единства измерений: 1-2(ремонт,калибровка,обслуживание),1-3(испытание дляцелей утверждениятипа средствизмерений),

2-3(поверкаикалибровка)

Обеспечение единства измерений – деятельность метрологических служб, направленная на достижение и поддержание единства измерений в соответствии с законодательными актами, а также правилами и нормами, установленными государственными стандартами и другими нормативными документами по обеспечению единства измерений. Работы по обеспечению единства измерений, метрологическому контролю и надзору на межрегиональном и межотраслевом уровнях осуществляет государственная метрологическая служба, в пределах министерства (ведомства) – метрологическая служба государственного органа управления, а на предприятии (организации) – метрологическая служба юридического лица.

Руководит деятельностью метрологической службы РФ и ее координирует Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии (в него 30 июня 2004 г. преобразован Госстандарт России). К субъектам метрологии относятся: Государственная метрологическая служба РФ (ГМС), метрологические службы (МС) федеральных органов власти и юридических лиц и международные метрологические организации.

Общие требования и основные метрологические правила установлены законом РФ «Об обеспечении единства измерений». Конкретные метрологические нормы и правила изложены в нормативных документах.

14

Комплекс стандартов и нормативных документов, обеспечивающих достижение и поддержание единства измерений, составляет государственную систему обеспечения единства измерений (ГСИ), технической основой которой является государственная эталонная база, содержащая 1176 государственных первичных и специальных эталонов.

Основные задачи метрологической службы юридических лиц. К ним относятся:

обеспечение единства и требуемой точности измерений, повышение уровня метрологического обеспечения производства;

внедрение в практику современных методов и средств измерений, направленное на повышение уровня научных исследований, эффективности производства, технического уровня и качества продукции, а также иных работ, выполняемых предприятием;

организация и проведение калибровки и ремонта средств измерений, находящихся в эксплуатации, своевременного представления средств измерений на поверку;

проведение метрологической аттестации методик выполняемых измерений, а также участие в аттестации средств измерения и контроля;

проведение метрологической экспертизы технических заданий, проектной, конструкторской и технологической документации, проектов стандартов и других нормативных документов;

проведение работ по метрологическому обеспечению подготовки производства;

участие в аттестации испытательных подразделений, в подготовке

каттестации производств и сертификации систем качества;

осуществление метрологического надзора за состоянием и применением средств измерений, аттестованными методиками выполнения измерений, эталонами, применяемыми для калибровки средств измерений, соблюдением правил и норм нормативных документов по обеспечению единства измерений.

Существуют принципы обеспечения единства измерений, к основным из которых относятся:

применение только узаконенных единиц физических величин (ФВ);

воспроизведение ФВ с помощью государственных эталонов;

применение узаконенных средств измерений, которые прошли государственные испытания и которым переданы размеры единиц ФВ от государственных эталонов;

обязательный периодический контроль (через установленные промежутки времени) характеристик применяемых средств измерений;

гарантия обеспечения необходимой точности измерений при использовании поверенных средств измерений и аттестованных методик их выполнения;

15

использование результатов измерений только при условии оценки их погрешности с заданной вероятностью;

систематический контроль за соблюдением метрологических правил и норм, государственный надзор и ведомственный контроль за средствами измерений.

Для реализации этих принципов созданы необходимые научная, техническая и организационная основы.

Из необходимости обеспечения единства и требуемой точности измерений формулируются задачи метрологического обеспечения (МО) всех видов метрологической деятельности на общегосударственном и ведомственном уровнях.

К основным задачам МО на предприятиях относятся [6]:

проведение анализа состояния измерений, разработка и осуществление мероприятий по совершенствованию МО на предприятии;

установление рациональной номенклатуры измеряемых параметров

иоптимальных норм точности измерений, внедрение современных методик выполнения измерений, испытаний и контроля;

внедрение стандартов, регламентирующих нормы точности изме-

рений;

проведение метрологической экспертизы нормативно-технической, конструкторской и технологической документации;

поверка и метрологическая аттестация средств измерений (СИ);

контроль за производством, состоянием, применением и ремонтом СИ. Ответственность за состояние и применение средств измерений на

предприятиях несут инженеры, эксплуатирующие эти средства, а на предприятии (в организации) – руководитель предприятия (организации).

Единство измерений достигается точным воспроизведением, хранением установленных единиц ФВ и передачей их размеров всем рабочим средствам измерений (РСИ) с помощью эталонов и образцовых средств измерений. Высшим звеном в метрологической цепи передачи размеров единиц измерений являются эталоны. Создание, хранение и применение эталонов, контроль за их состоянием подчиняются единым правилам, установленным ГОСТ «ГСИ. Эталоны единиц физических величин. Основные положения» и ГОСТ «ГСИ. Эталоны единиц физических величин. Порядок разработки, утверждения, регистрации, хранения и применения» [5].

Эталоны

Эталон – средство измерений, обеспечивающее воспроизведение и (или) хранение единицы ФВ с наивысшей точностью для данного этапа развития измерительной техники с целью передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений. Перечень эталонов не повторяет перечня ФВ. Для ряда единиц эталоны не создаются потому, что невозможно непосредственно сравнивать соответствующие величины.

16

Первичный эталон обеспечивает воспроизведение единицы ФВ с наивысшей в стране точностью. Первичные эталоны – средства измерения, часто представляющие собой сложные измерительные комплексы. Данные эталоны составляют основу государственной системы обеспечения единства измерений и делятся на специальные, национальные, государственные и международные эталоны.

Специальный эталон воспроизводит ФВ в особых условиях и заменяет для них первичный эталон.

Первичные и специальные эталоны являются исходными для страны, их утверждают в качестве национальных.

Национальный эталон – первичный (или специальный) эталон, признанный в качестве исходного на территории государства. Национальные эталоны создают, хранят и применяют центральные метрологические научные институты страны.

Международный эталон – эталон, принятый по международному соглашению в качестве международной основы для согласования с ним размеров единиц, воспроизводимых национальными эталонами.

Вторичный эталон – эталон, значение которого устанавливают по первичному эталону. Вторичные эталоны являются частью подчиненных средств хранения единиц и передачи их размеров, создаются в тех случаях, когда это необходимо для организации поверочных работ, а также для обеспечения сохранности и наименьшего износа государственного эталона.

По назначению вторичные эталоны делят на эталоны-свидетели, эта- лоны-копии, эталоны сравнения и рабочие эталоны.

Эталон-свидетель служит для проверки сохранности и неизменности государственного эталона и замены его в случае порчи или утраты. В настоящее время эталоном-свидетелем является только международный эталон «килограмм».

Эталон-копия предназначен для передачи размера единицы рабочим эталонам. Его создают в случае необходимости проведения большого количества поверочных работ с целью предохранения первичного эталона от преждевременного износа. Эталон-копия представляет собой копию государственного эталона только по метрологическому назначению.

Эталон сравнения применяют для взаимного сличения эталонов, которые по тем или иным причинам нельзя непосредственно сравнивать друг с другом.

Рабочий эталон – мера, измерительный прибор или преобразователь для поверки по ним других средств измерений. От рабочих эталонов размеры единиц ФВ передают далее рабочим мерам и измерительным приборам, т.е. рабочим средствам измерений. Рабочие эталоны предназначены для поверки наиболее точных рабочих средств измерений. Рабочие эталоны при необходимости подразделяют на 1-й, 2-й и последующие разряды, определяющие порядок их соподчинения в соответствии с поверочной

17

схемой. Различным видам измерений, исходя из требований практики и уровня точности измерений, устанавливают различное число разрядов рабочих эталонов, определяемых соответствующими стандартами на поверочные схемы для данного вида измерений.

В настоящее время стандартом установлен многоступенчатый порядок передачи размеров единицы физической величины от государственного эталона всем рабочим средствам измерений (РСИ) данной физической величины с помощью вторичных эталонов и ОСИ различных разрядов от наивысшего первого к низшим и от ОСИ к РСИ. Передача размера осуществляется различными методами поверки, по существу известными методами измерений. Передача размера через каждую ступень сопровождается потерей точности, однако многоступенчатость позволяет сохранять эталоны и передавать размер единицы всем РСИ. Образцовые средства измерений, как известно, используются для периодической передачи размеров единиц в процессе поверки СИ и эксплуатируются только в подразделениях метрологической службы. Определение разряда ОСИ производится в ходе их метрологической аттестации органом Государственного комитета по стандартам. В том же порядке особо точные СИ, изготовленные как рабочие, могут быть аттестованы на определенный срок как образцовые, а ОСИ, не прошедшие очередной метрологической аттестации, – как рабочие.

На рис. 1.2 приведена метрологическая последовательность передачи размеров единиц ФВ от первичного эталона рабочим, от рабочих – рабочим мерам и измерительным приборам (рабочим средствам измерений).

Э т а л о н ы

Рис. 1.2. Структура передачи размеров единиц ФВ

Рабочими называют средства измерений, которые применяются для измерений, не связанных с передачей размера единиц.

18

1.1.3. Виды и методы измерений

Виды измерений определяются физическим характером ФВ, требуемой точностью и необходимой скоростью измерений, условиями и режимом измерений. Наиболее широко применяется классификация видов получения результатов измерений, которая приведена на рис. 1.3.

Виды измерений

Совокупные Совместные

Рис. 1.3. Классификация видов измерений

Прямые измерения – искомую величину находят непосредственно из опытных данных (длину – линейкой, время – секундомером, ток – амперметром и т.д.).

Косвенные измерения – искомую величину определяют вычислениями по результатам прямых измерений величин, связанных с искомой величиной известной зависимостью, например для определения объема цилиндрического резервуара необходимо измерить радиус дна и высоту и обратиться к формуле V r2 h, где V – объем цилиндра, r – радиус основания цилиндра, h – высота цилиндра.

Совокупные измерения – искомые значения нескольких одноименных величин x и y находят путем прямых одновременных измерений различных сочетаний этих величин.

Совместные измерения – одновременно производятся измерения разнородных величин для установления зависимости между ними.

Методы измерений

Под методом измерений понимают совокупность приемов использования принципов и средств измерений, выбранную для решения конкретной измерительной задачи. В понятие метода измерений входит как теоретическое обоснование принципов измерения, так и разработка приемов применения средств измерения. На рис. 1.4 приведена классификация методов измерения [17].

19

Методы измерений

Рис. 1.4. Классификация методов измерений

Метод непосредственной оценки используется, например, при изме-

рении электрического тока в цепи при помощи амперметра, показанного на рис. 1.5. Измерения с помощью этого метода проводятся очень быстро, просто и не требуют высокой квалификации оператора, поскольку не нужно создавать специальные измерительные установки и выполнять какиелибо сложные вычисления. Однако точность измерений чаще всего оказывается невысокой из-за погрешностей, связанных с необходимостью градуировки шкал приборов и воздействием влияющих величин (непостоянство температуры, нестабильность источников питания и пр.).

RH

I

U

Рис. 1.5. Метод непосредственной оценки

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

Дифференциальный (разностный) метод – метод, в котором на из-

мерительный прибор воздействует разность X между измеряемой величиной X и известной величиной X0, воспроизводимой мерой. Для данного метода характерно наличие одного источника энергии и однозначной меры. Точность возрастает с уменьшением разности между сравниваемыми величинами. Метод применяется при измерении параметров цепей (сопро-