Шмидт-Ковалерова.МСС-лекции1-2014

ских лиц, а также государственных органов управления РФ, виновных в нарушении положений этого Закона к административной, гражданской, правовой или уголовной ответственности в соответствии с действующим законодательством.

Кодексом об административных нарушениях и, в частности, статьей 170 «Нарушение обязательных требований государственных стандартов, правил обязательной сертификации, нарушение требований нормативных документов по обеспечению единства измерений» предусмотрено наложе- ние штрафа от пяти до ста минимальных размеров оплаты труда.

Дисциплинарная ответственность за нарушение метрологических правил и норм определяется решением администрации (организации) на основании Кодекса законов о труде.

Гражданско-правовая ответственность наступает в ситуациях, ко-

гда в результате нарушений метрологических правил и норм юридическим или физическим лицам причинен имущественный или иной ущерб. При- чиненный ущерб подлежит возмещению по иску потерпевшего на основа- нии соответствующих актов гражданского законодательства.

К уголовной ответственности нарушители метрологических требо- ваний привлекаются в тех случаях, когда имеются признаки состава пре- ступления, предусмотренные уголовным кодексом.

2.3.Объекты измерения

2.3.1.Физическая величина. Единицы физических величин

Величина – это особое свойство чего-либо, которое может быть вы- делено из других свойств и оценено каким либо способом, в том числе и количественно. Величина сама по себе не существует, она имеет место быть лишь постольку, поскольку существует объект, предмет или процесс со свойствами, выраженными такой величиной.

Термин «величина» применяется в отношении свойств или иных ха- рактеристик, которые мы умеем оценивать количественно, т. е. измерять. Величины условно можно разделить на реальные и идеальные.

Идеальной величиной является любое числовое значение. По сущест- ву это математическая абстракция, не связанная с каким-либо реальным объектом. Поэтому идеальные величины рассматриваются не в метроло- гии, а в математике.

Реальные величины в свою очередь делятся на физические и нефизи- ческие. Нефизические величины вводят, определяют и изучают в инфор- матике, общественных, экономических и гуманитарных научных дисцип- линах (например, в социологии, лингвистике). Примерами нефизических величин являются количество информации в битах, рашер финансового капитала в $, различные рейтинги, определяемые путем социологических опросов.

30

«Величина» – многовидовое понятие:

•цена, стоимость товаров, выраженная в денежных единицах;

•биологическая активность лекарств, измеряемая в международных единицах;

•физическая величина, т.е. свойство, присущее физическим объектам. Физические величины, рассматриваемые в метрологии, являются

свойствами материальных объектов, процессов и явлений. В отличие от нефизических, они объективно, независимо от желания человека сущест-

вуют в окружающем нас материальном мире. Другими словами физиче- ская величина – это свойство, общее в качественном отношении многим

объектам (системам, их состояниям, происходящим в них процессам), но в

количественном отношении индивидуальное для каждого объекта.

Индивидуальное в количественном отношении – такое свойство одного объекта может быть в определенное число раз быть больше или

меньше свойства другого.

Единица физической величины – величина, которой по определе-

нию придано значение, равное единице. Такое ее значение принимают за основание для сравнения с ним физических величин того же ряда при ко- личественной оценке.

Размер и значение величины. В тех случаях, когда необходимо под- черкнуть, что речь идет о количественном содержании в определенном объекте физической величины, следует употреблять слово «размер». Эта количественная оценка конкретной физической величины, выраженная в виде некоторого числа единиц, называется значением физической величи- ны. Отвлеченное число, входящее в значение величины, называется число- вым значением.

2.3.2 Система единиц физических величин

Отсутствие единства в понимании, определении и обозначении физи- ческих величин усложняло международные торговые связи, тормозило на- учно-технический прогресс в целом.

Все это вызвало необходимость строгой унификации единиц и разра- ботки удобной для широкого использования системы единиц физических величин. В основу построения такой системы был положен принцип выбо- ра небольшого количества основных, не зависящих друг от друга единиц, на базе которых с помощью математических соотношений, выражающих закономерные связи между физическими величинами, устанавливались бы остальные единицы системы.

Решением Генеральной конференции по мерам и весам в 1960 г. Была принята универсальная система единиц физических величин, получившая название «Systeme internationale d'unites» (Международная система единиц) или сокращенно SI (в русской транскрипции СИ). Постоянная комиссия

31

Совета экономической взаимопомощи (СЭВ) по стандартизации утвердила основополагающий стандарт – СТ СЭВ 1052–78 «Метрология. Единицы физических величин». Автором–разработчиком этого стандарта является

СССР. Стандартом устанавливалось обязательное применение, начиная с 1979–1980 гг., в странах-членах СЭВ Международной системы единиц. Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 19 марта 1981 г. стандарт СЭВ был заменен Государственным стандартом – ГОСТ 8.417–81 (СТ СЭВ 1052–78) «Единицы физических величин», вве- денным в действие с 1 января 1982 г. ГОСТ установил перечень единиц физических величин для применения в СССР, их наименование и обозна- чение, а также порядок использования внесистемных единиц и исключения ряда внесистемных единиц, подлежащих изъятию. Применение СИ стало обязательным во всех областях науки и техники, а также в народном хо- зяйстве.

Структура Международной системы единиц (СИ). Международная система единиц представляет собой совокупность основных и производ- ных единиц, охватывающих все области измерений механических, тепло- вых, электрических, магнитных и других величин. Важным преимущест- вом этой системы является также и то, что составляющие ее основные и производные единицы удобны для практических целей. Основным пре- имуществом СИ является ее когерентность (согласованность), т.е. все про- изводные единицы в ней получены с помощью определяющих формул (так называемых формул размерности) путем умножения или деления основ- ных единиц без введения числовых коэффициентов, показывающих, во сколько раз увеличивается или уменьшается значение производной едини- цы при изменении значений основных единиц. Например, для единицы

скорости она имеет следующий вид:

V = k· L· T–1,

где k – коэффициент пропорциональности, равный единице; L – длина пу- ти, м; Т – время, с.

Если вместо L и Т подставить наименования единиц измерения длины и времени в системе СИ, получим формулу размерности единицы скорости

в этой системе:

V = м/с или V = м· с–1.

Если физическая величина представляет собой отношение двух раз- мерных величин одной природы, то она не имеет размерности. Такими безразмерными величинами являются, например, коэффициент преломле- ния, массовая или объемная доля вещества.

Единицы физических величин, которые устанавливаются независимо от других и на которых базируется система единиц, называются основны- ми единицами системы.

Единицы, определяемые с помощью формул и уравнений, связываю- щих физические величины между собой, называются производными еди-

32

ницами системы. Основные и производные единицы, входящие в систему единиц, называются системными единицами.

Международная система единиц включает семь основных (табл. 2.1), две дополнительные (табл. 2.2), а также производные единицы, образованные из основных и дополнительных единиц. Дополнительные единицы (радиан и стерадиан) не зависят от основных единиц и имеют нулевую размерность. Для непосредственных измерений они не применяются из за отсутствия из- мерительных приборов, проградуированных в радианах и стерадианах. Эти единицы используют для теоретических исследований и расчетов.

Таблица 2.1

Основные единицы СИ

Внесистемные единицы. Единицы физических величин, которые вво- дятся независимо от системы единиц, называются внесистемными. К ним относятся, например, миллиметр ртутного столба, рентген, а также крат- ные и дольные единицы.

Стандартом СЭВ и ГОСТ предусмотрена возможность использования внесистемных кратных и дольных (в целое число раз больших или мень- ших) единиц, образуемых с помощью десятичных множителей, для изме- рения очень больших или очень малых величин.

Наравне с единицами СИ допущены к применению единицы физиче- ских величин, широко распространенные и прочно утвердившиеся в неко- торых областях науки и техники (в т. ч. в медицине), ставшие привычными в обыденной жизни. К ним относятся также единицы, определяемые по ус-

33

ловным шкалам; некоторые наиболее распространенные производные еди- ницы, образованные из допускаемых к применению внесистемных единиц, относительные и логарифмические единицы. Ряд внесистемных единиц принят для использования на ограниченное время; срок их изъятия уста- навливается в соответствии с решениями на международном уровне.

2.4.Физические основы измерений

2.4.1.Основные закономерности измерений

Измерение – совокупность операций по применению системы изме- рений для получения значения измеряемой физической величины.

Измерение – это нахождение физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.

Под измерениями нередко понимают способ количественного позна- ния свойств физических объектов, заключающийся в сравнении данной ве- личины с известной величиной, принятой за единицу сравнения.

Между размером и значением величины есть принципиальная разница. Размер – это «реально», независимо от того, знаем мы его или нет;

выразить размер физической величины мы можем при помощи любой из единиц данной величины, т. е. при помощи числового значения. Для чи- слового значения характерно, что при применении другой единицы оно изменится, тогда как физический размер величины остается неизменным. Размеры разных единиц одной и той же величины различны (размер метра отличается от размера фута).

Виды измерений 1. По способу получения результатов измерений подразделяют на пря-

мые, косвенные, совместные, совокупные.

Прямое измерение – измерение, при котором искомое значение вели- чины находят непосредственно из опытных данных. Например, измерение температуры воздуха термометром, силы тока – амперметром, диаметра вала – микрометром и т. п.

Косвенное измерение – это измерение, при котором искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой вели- чиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. При этом чи- словое значение искомой величины определяется по формуле:

z = f (a1, a2,…, am),

где z – значение искомой величины; a1, a2,…, am – значение непосредст- венно измеряемых величин.

Приведем несколько примеров косвенных измерений.

Пример 1. Определим значение активного сопротивления R резистора на основе прямых измерений силы тока I, проходящего через резистор, и падения напряжения U на нём по формуле:

R = U/I.

34

Пример 2. Найдём плотность p тела цилиндрической формы на осно- вании прямых измерений его массы m, диаметра d и высоты h цилиндра по

формуле:

p = 4m/(π·d2·h).

Пример 3. Вычислим длины окружности L на основании прямого из- мерения диаметра d по формуле:

L = π·d.

Во многих случаях вместо термина «косвенное измерение» применя- ют термин «метод косвенных измерений». Это закреплено международ- ными словарями в области метрологии и стандартами ряда стран и обу- словлено тем, что измерение рассматривается как акт сравнения величины с единицей. Следовательно, косвенное измерение – это не измерение, а ме- тод измерений.

К совокупным измерениям относятся производимые одновременно из- мерения нескольких одноимённых величин, при которых искомые значе- ния величин находят решением системы уравнений, получаемых при пря- мых измерениях различных сочетаний этих величин. К совокупным отно- сятся, например измерения, при которых массы отдельных гирь набора на- ходят при известной массе одной из них и по результатам прямых измере- ний (сравнений) масс различных сочетаний гирь.

Совместные измерения – это производимые одновременно измерения двух или нескольких не одноименных величин для нахождения зависимо- сти между ними.

Например, на основании одновременных измерений приращений l длины детали в зависимости от изменений t его температуры (не одно- именных величин) определяют коэффициент К линейного расширения ма- териала образца по формуле:

К = l/(l t).

Числовые значения искомых величин при совместных измерениях, как

ипри совокупных, могут определяться из системы уравнений, связываю- щих значения искомых величин со значениями величин, измеренных пря- мым (или косвенным) способом. Чтобы получить числовые значения ис- комых величин, необходимо получить по крайней мере столько уравнений, сколько имеется этих величин.

2.По выражению результата измерений подразделяют на абсолютные

иотносительные.

Абсолютное измерение – измерение, приводящее к значению изме- ряемой величины, выраженному в её единицах. Например, при измерении силы электрического тока амперметром или длины детали микрометром результат измерения выражается в единицах измеряемых величин (в ампе- рах и миллиметрах).

В ГОСТ 16263 приведено другое определение: «абсолютное измере- ние – измерение, основанное на прямых измерениях одной или нескольких

35

величин и использовании значений физических констант». В таком пони- мании это понятие практически не применяется. Оно соответствует поня- тию «фундаментальное измерение», приведённому в международном сло- варе. Термина «абсолютное измерение» следует избегать, так как абсолют- ное, т. е. полностью безошибочное, измерение невозможно. Вместо него можно использовать термин «непосредственное измерение».

Относительное измерение – измерение отношения величины к одно- имённой величине, играющей роль единицы, или измерение величины по отношению к одноимённой величине, принимаемой за исходную. Относи- тельное измерение основано на сравнении измеряемой величины с извест- ным значением меры. Исходную величину при этом находят алгебраиче- ским суммированием размера меры и показаний прибора.

Например, контроль калибра пробки на вертикальном оптиметре.

3.По характеристике точности подразделяют на равноточные и нерав- ноточные.

Равноточные измерения – ряд измерений какой-либо величины, вы- полненных одинаковыми по точности средствами измерений в одних и тех же условиях. Например, измерение диаметра вала гладким микрометром и индикаторной скобой.

Неравноточные измерения – ряд измерений какой-либо величины, выполненных различными по точности средствами измерений и (или) в разных условиях.

4.По числу измерений в серии подразделяются на однократные и мно- гократные.

Однократное измерение – измерение, выполненное один раз. Напри- мер, измерение конкретного момента времени по часам. В ряде случаев, когда нужна большая уверенность в получаемом результате, одного изме- рения оказывается недостаточно. Тогда выполняется два, три и более из- мерений одной и той же конкретной величины. В таких случаях допуска- ется выражение: «двукратное измерение», «трёхкратное измерение» и т. д.

Многократное измерение – измерение одной и той же физической ве- личины, когда результат получают из нескольких следующих друг за дру- гом измерений, т. е. измерение, состоящее из ряда однократных измере- ний.

С какого числа измерений можно считать измерение многократным? Строгого ответа на этот вопрос нет. Однако известно, что при числе от- дельных измерений n > 4. Ряд измерений может быть обработан в соответ- ствии с требованиями математической статистики. Следовательно, при че- тырёх измерениях и более измерение можно считать многократным. За ре- зультат многократного измерения обычно принимают среднеарифметиче- ское значение из результатов однократных измерений, входящих в ряд.

5.По отношению к изменению измеряемой величины подразделяются на статические и динамические.

36

Статическое измерение – измерение физической величины, прини- маемой в соответствии с конкретной измерительной задачей за неизмен- ную на протяжении времени измерения. Например, измерение длины дета- ли при нормальной температуре, измерение размеров земельного участка.

Динамические измерения – измерения физической величины, размер, ко- торой изменяется с течением времени. Быстрое изменение размеров изме- ряемой величины требует её измерения с точной фиксацией момента време- ни. Например, измерение расстояния до уровня земли со снижающегося са- молёта.

6.По метрологическому назначению подразделяются на технические

иметрологические.

Технические измерения – измерения при помощи рабочих средств изме- рений. Технические измерения выполняются с целью контроля и управления научными экспериментами, контроля параметров изделий, технологических процессов, управления движением различных видов транспорта, диагностики заболеваний, контроля загрязнённости окружающей среды и т.п.

Например, измерение давления пара в котле при помощи манометра, из- мерение ряда физических величин, характеризующих технологический про- цесс.

Метрологические измерения – измерения при помощи эталонов и об- разцовых средств измерений с целью воспроизведения единиц физических величин при передаче их размера рабочим средствам измерений. Напри- мер, при поверке образцовых мер магнитной индукции 3-го разряда на по- верочной установке осуществляются измерения образцовым тесламетром 2-го разряда размера величины воспроизведённой мерой. Эти измерения производятся с метрологической целью, т. е. являются метрологическими.

Любые измерения представляют собой физический эксперимент, вы- полнение которого основано на использовании тех или иных физических явлений. Совокупность физических явлений, на которых основаны измере- ния, называется принципом измерения.

2.4.2.Методы измерений

1.По способу получения значений измеряемых величин различают: Метод непосредственной оценки – значение величины определяется

непосредственно по отсчётному устройству измерительного прибора пря- мого действия (измерение длины с помощью штангенциркуля).

Метод сравнения с мерой – измеряемую величину сравнивают с вели- чиной, воспроизводимой мерой.

Разновидности метода сравнения:

•метод противопоставления, при котором измеряемая величина и ве- личина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор

37

сравнения (измерение напряжения постоянного тока на компенсаторе сравнением с ЭДС параллельного элемента);

•метод совпадений, при котором разность между измеряемой величи- ной и величиной, воспроизводимой мерой, определяют совпадением отме- ток шкал или совпадением сигналов (измерение массы на рычажных весах с уравновешиванием гирей).

Дифференциальный метод – метод, характеризующийся измерением разности между измеряемой величиной и известной величиной, воспроиз- водимой мерой (измерение параметров резьбы поэлементно на микроскопе).

2.По степени воздействия на измеряемую величину (поверхность) не зависимо от рассматриваемых методов различают:

Контактный метод – измерение производят непосредственным кон- тактом измеряемого объекта со средством измерения;

Бесконтактный метод – измерение без непосредственного соприкос- новения с измеряемым объектом.

3.В зависимости от измерительных средств различают: Инструментальный метод, основанный на использовании специальных

технических средств, в том числе автоматических и автоматизированных. Экспертный метод, основанный на использовании результатов не-

скольких экспертов (используется в квалиметрии, медицине ит.п.). Эвристический метод, основанный на интуиции. Например способ

попарного сопоставления (изменяемые величины сравнивают между собой попарно, затем ранжируют на основании сравнения).

Органолептический метод оценки основан на использовании органов чувств человека. (соревнования спортсменов, мастеров искусств и т.п.)

2.4.3. Виды контроля

Контроль – это процесс получения и обработки информации об объ- екте (параметре детали, механизма, процесса и т.д.) с целью определения его годности или необходимости введения управляющих воздействий на факторы, влияющие на объект.

Классификация видов контроля:

1. По возможности (или невозможности) использования продукции после выполнения контрольных операций различают неразрушающий и разрушающий контроль.

При неразрушающем контроле соответствие контролируемого размера (или значения) норме определяется по результатам взаимодействия раз- личных физических полей и излучений с объектом контроля. Интенсив- ность полей и излучений выбирается такой, чтобы не только не происхо- дило разрушений объекта контроля, но и не менялись его свойства во вре- мя контроля. В зависимости от природы физических полей и излучений виды неразрушающего контроля разделяются на следующие группы: аку-

38

стические, радиационные, оптические, радиоволновые, тепловые, магнит- ные, вихревые, электрические, проникающих веществ.

При разрушающем контроле определение соответствия (или несоот- ветствия) контролируемого размера (или значения) норме сопровождается разрушением изделия (объекта контроля), например, при проверке изделия на прочность.

2. По характеру распределения по времени различают непрерывный, периодический и летучий контроль.

Непрерывный контроль состоит в непрерывной проверке соответствия контролируемых размеров (или значений) нормам в течение всего процес- са изготовления или определённой стадии жизненного цикла.

При периодическом контроле измерительную информацию получают периодически через установленные интервалы времени τ . Период контро- ляτ может быть как меньше, так и больше времени одной технологической операции τ оп . Если τ =τ оп , то периодический контроль становится опера- ционным (или послеоперационным).

Летучий контроль проводят в случайные моменты времени.

3.В зависимости от исполнителя контроль разделяется на: самокон- троль, контроль мастером, контроль ОТК (отделом технического контро- ля) и инспекционный контроль (специально уполномоченными представи- телями). Инспекционный контроль в зависимости от того, какая организа- ция уполномочила представителя проводить контроль подразделяется на:

ведомственный, межведомственный, вневедомственный, государствен-

ный (выполняемый контролёрами Росстандарта).

4.По стадии технологического (производственного) процесса отлича- ют входной, операционный и приёмочный (приёмосдаточный) контроль.

Входному контролю подвергают сырьё, исходные материалы, полу- фабрикаты, комплектующие изделия, техническую документацию и т.п., иначе говоря, всё то, что используется при производстве продукции или её эксплуатации.

Операционный контроль ещё незавершённой продукции проводится на всех операциях производственного процесса.

Приёмочный контроль готовых, сборочных и монтажных единиц осу- ществляется в конце технологического процесса.

5.По характеру воздействия на ход производственного (технологиче- ского) процесса контроль делится на активный и пассивный.

При активном контроле его результаты непрерывно используются для управления технологическим процессом. Можно сказать, что активный контроль совмещён с производственным процессом в единый контрольно- технологический процесс. Как правило, он выполняется автоматически.

Пассивный контроль осуществляется после завершения либо отдель- ной технологической операции, либо всего технологического цикла изго-

39