Лекции по метрологии. Часть 2

2

Содержание

2.Прикладная метрология…………………………………………………… 32

2.1.Средства измерений…………………………………...…………………... 32

2.1.1.Информационная структура СИ……………………..…………………… 33

2.1.2.Показатели качества и технические данные СИ……..…………………. 33

2.1.3.Метрологические характеристики СИ…………………………………… 34

2.1.4.Точностные метрологические характеристики СИ……………………... 34

2.1.5.Передача СИ размера единицы……………………..…………………….. 35

2.2.Технология измерений……………………………….……………………. 35

2.2.1.Подготовка к проведению измерений……………………………………. 36

2.2.2.Выполнение измерений……………………………….…………………... 37

2.2.3. Обработка результатов измерений…………………..…………………… 37

2.3.Законодательная метрология……………………………………………… 38

2.3.1.Историческая справка……………………………………………………... 39

2.3.2.Системы единиц и первичные эталоны………………………………….. 40

2.3.3.Метрологическая иерархия СИ…………………………………………… 47

2.4.Метрологическая служба………………………………………………….. 48

2.4.1.Метрологическая экспертиза……………………………………………… 49

2.4.2.Испытания средств измерений……………………………………………. 49

2.4.3.Метрологическая аттестация……………………………………………… 50

2.4.4.Поверка средств измерений……………………………………………….. 51

2.4.5.Организация и структура метрологической службы РФ………………... 53

2.4.6.Правовые аспекты метрологической службы……………………………. 54

2.4.7.Экономические аспекты метрологической службы……………………... 54

3

2.Прикладная метрология.

2.1.Средства измерений.

Основная классификация средств измерений (СИ) проводится по роду измеряемой величины (вес, угол, скорость, ток, яркость, цвет, крепость и проч.), Соответствующие названия СИ, несмотря на их различное происхождение, прочно устоялись в метрологической практике и, как правило, к неоднозначностям не приводят: это весы, гониометр, спидометр, амперметр, яркомер, колориметр, спиртомер, … .

Для метрологических приложений не менее важна и точностная (подробнее - см. п. 2.3.3) классификация СИ:

эталоны - высшей точности; образцовые средства измерений (ОСИ) - средней точности;

рабочие средства измерений (РСИ) - низшей точности, причем, в отличие от третьей группы универсального применения, первые две группы предназначены для использования практически только в метрологических целях,

и функциональная: мера;

измерительный преобразователь; измерительный прибор; измерительная установка; измерительный комплекс; измерительная система.

К данным в параграфе 1.1.2 определениям здесь остается добавить ряд пояснений, отражающих иерархичность функциональной классификации СИ. Принято считать меры и измерительные преобразователи элементарными СИ. К таковым относится и ряд простейших измерительных приборов, например, ртутный термометр, барометр-анероид и др. Все остальные измерительные приборы относятся уже к категории сложных (составных), ибо построены из элементарных например радиационный термометр (состоящий из приемника излучения в качестве первичного измерительного преобразователя и амперметра в качестве вторичного измерительного прибора), инерционный виброметр (состоящий из пьезоэлемента в качестве первичного измерительного преобразователя и вольтметра в качестве вторичного измерительного прибора), - список нетрудно продолжить самостоятельно. В этом плане измерительная установка представляет собой совокупность СИ (элементарных и/или сложных) и вспомогательных устройств, скомпонованных для измерения какой либо физической величины. Классическим примером измерительной установки может служить мост постоянного или переменного тока. Измерительный комплекс представляет собой соче-

4

тание измерительного прибора или измерительной установки с компьютером, начиненным специализированным программным продуктом. Завершает эту иерархическую структуру измерительная система – совокупность разнесенных в исследуемом пространстве измерительных комплексов.

По конструктивному исполнению СИ делятся на переносные

(hendheld), настольные (desktop и tower), стационарные (benchtop). Ка-

ждая из перечисленных разновидностей может быть моноблочной и модульной. В отечественной практике модульные СИ часто не вполне корректно именуют щитовыми.

Классификация СИ по способу представления результатов подразумевает их деление на:

аналоговые и цифровые СИ; показывающие и регистрирующие СИ.

По-видимому комментарии к этим градациям излишни.

Наконец, пользователям (а экспертов вряд ли можно отнести к разработчикам, изготовителям и ремонтникам) полезно знать следующие стандартизованные классификации.

По климатическому исполнению в соответствии с ГОСТ 15150-69 [45]: при эксплуатации лишь в холодном климате - ХЛ (F) класс;

для районов с умеренным и холодным климатом - УХЛ (NF); -"- с умеренным климатом - У (N);

-"- с влажным тропическим климатом - ТВ (TH); -"- с сухим тропическим климатом - ТС (TA);

-"- с тропическим, как сухим, так и влажным климатом - Т(T); -"- с умеренно холодным морским климатом - М (M);

-"- с тропическим морским климатом - ТМ (TM);

-"- с морским, как тропическим, так и холодным климатом - ОМ

(MU);

для всех районов, исключая морской климат - О (U);

для всех районов (всеклиматическое исполнение) - В (W). По условиям эксплуатации в соответствии с ГОСТ 15150-69 [45]:

на открытом воздухе - 1 категория; под навесом (или в помещениях, несущественно отличающихся

от первой категории: палатке, кузове, ...) - 2;

внеотапливаемых помещениях (при отсутствии прямой солнечной засветки, ветра, осадков) (склад) - 3;

вотапливаемых помещениях - 4;

впомещениях с повышенной влажностью (шахта, трюм, ..) – 5.

2.1.2. Показатели качества и технические данные СИ.

Науку об измерении качества именуют квалиметрией (Приложение F). В ней качество СИ определяется как совокупность свойств СИ,

5

обуславливающих его пригодность к получению измерительной информации в соответствии с его назначением. Таким образом, свойство, характеризующее чувствительность СИ к УФ/ИК-излучению, не является показателем качества применительно к люксметру, поскольку люксметры градуируются в единицах световых фотометрических величин, а последние определены только для VIS области спектра. Номенклатура показателей качества устанавливается РД 50-64-84 [43]:

показатели назначения, показатели надежности [61], экономические показатели, эргономические показатели, эстетические показатели, показатели технологичности, показатели транспортабельности,

показатели стандартизации и унификации, патентно-правовые показатели, экологические показатели, показатели безопасности.

Вкурсе метрологии представляет интерес перечислить и определить показатели надежности СИ (надежность СИ есть свойство выполнять свои функции, т.е. соответствовать показателям назначения, сохраняя прочие показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени):

- вероятность безотказной работы - вероятность того, что в течение заданной продолжительности работы СИ отказ не возникает,

- интенсивность отказов - вероятность отказа СИ в единицу вре-

мени,

- среднее время безотказной работы - математическое ожидание времени исправной работы СИ.

Показатели надежности СИ устанавливаются по результатам проведения их испытаний (см. п. 2.4.2.).

Всвою очередь, совокупность показателей назначения СИ подразделяется на три группы:

показатели функциональные и технической эффективности, конструктивные показатели, показатели состава и структуры.

Кпервой из этих групп относятся метрологические характеристики СИ. А технические данные СИ представляют собой лишь ограниченную выборку числовых значений важнейших из показателей качества, вносимых в эксплуатационную документацию на СИ.

6

2.1.3. Метрологические характеристики СИ.

Номенклатура метрологических характеристик (м.х.): м.х. диапазонные, м.х. точностные, м.х. преобразования. М.х. СИ с многократным измерительным преобразованием. Соотношение диапазонных и точностных метрологических характеристик СИ и принципы их нормирования (традиционное различие в описании диапазонов vs погрешностей у отечественных и зарубежных СИ).

Метрологические характеристики, свойственные: для ПИП - амплитудная нелинейность, частотная неравномерность, ......; для ВИП - диапазоны, статические точностные м.х., .........; для процессора - постоянная времени, <аддитивная> динамическая погрешность, ....

2.1.4. Точностные метрологические характеристики СИ.

Основная погрешность СИ - статическая. Дополнительные погрешности СИ, например, температурная, динамическая. Формы выражения погрешностей СИ: абсолютная, относительная и приведенная. Соотношение этих погрешностей проиллюстрировано рис. 2.1.1.

Погрешности Дополнительная

Основная

Статическая

Динамическая

Систематиче-

Случайная Рис. 2.1.1. Погрешности измерительных приборов.

Составляющие: случайной компоненты основной погрешности и систематической компоненты основной погрешности СИ. Методы суммирования составляющих.

7

Две модели объединения систематической и случайной погрешностей СИ, допускаемые ГОСТ 8.009-84 [13], приведены в п. 1.3.3.

2.1.5. Передача СИ размера единицы.

Операция передачи средству измерений размера единицы может включать одну или несколько процедур измерений, поэтому ее ни в коем случае нельзя соотносить с методами измерений, классифицированными в п. 1.2.5. Одна измерительная процедура характерна для использования при передаче прямых измерений, две и более – косвенных.

Погрешность СИ после передачи размера единицы учитывает две составляющих: погрешность собственно СИ и погрешность его сличения, градуировки или калибровки. В качестве первой составляющей может выступать погрешность нелинейности, зонная погрешность, угловая погрешность, etc. или их комбинация. Вторая составляющая, в свою очередь, образуется суммированием погрешности ОСИ и с.к.о. сличения: градуировки или калибровки) [1].

2.2.Технология измерений.

Вэтом разделе отнюдь не рассматриваются конкретные способы измерений (по принципу действия), например, интерферометрия, фото-

метрия, поляриметрия, ..., но общие для всех способов правила методического, аппаратурного и программного обеспечения измерений.

Отметив, что, как правило, вопросы программного обеспечения нормативно-технической документацией вообще не регламентируются, а аппаратурные аспекты, наоборот, всегда регламентированы жестко и однозначно, остановимся на методическом обеспечении измерений. Каждый измерительный процесс состоит из трех этапов [1]:

-подготовки к проведению измерений,

-выполнения измерений,

-обработки результатов.

Рассмотрим каждый из этих этапов детально.

2.2.1. Подготовка к проведению измерений.

Этап подготовки включает следующие процедуры: - анализ постановки измерительной задачи.

Какие физические величины или какие параметры объекта подлежат измерению?

а) Модель, соответствие модели объекту, погрешность модели (методическая погрешность); б) Нестабильность измеряемой величины.

8

Вобоих случаях отмеченные погрешности не должны превышать 10 % от потребной погрешности измерений.

Вкакой форме следует представить результат измерений? МИ

1317-86 [59]: x c.k.o., P 0,95;0,99;...; НСП; и др.

-создание условий для измерений.

Каждое измерение выполняется в определенных условиях, которые характеризуются одной или несколькими физическими величинами (их называют внешними влияющими величинами), часто оказывающими заметное воздействие на измеряемую величину и используемые СИ. Выделяют 4 группы влияющих факторов:

климатические, электромагнитные, внешние нагрузки, ионизирующие.

Установлены следующие номинальные значения влияющих величин: температура 20o С (293 К),

давление 100 кПа (750 мм рт. ст.) или 101,3 кПа (760 мм рт. ст.) в зависимости от вида измеряемой величины, относительная влажность воздуха 55 % или 58 % или 60 % или 65 % в зависимости от вида измеряемой величины, плотность воздуха 1,2 кг/м3, ускорение свободного падения 9,8 м/с2,

напряженности магнитного и электростатического поля 0 или соответствует характеристикам поля Земли в данном географическом районе в зависимости от вида измеряемой величины.

Случаи отклонения значений влияющих величин от номиналов рассмотрены в ГОСТ 8.050-73 "ГСИ. Нормальные условия выполнения измерений" и ГОСТ 8.395-80 [58].

-выбор СИ.

-выбор метода измерений.

-подготовка оператора (квалификация, ТБ, ...).

-опробование СИ.

Содержание этих четырех операций очевидно. Подробнее на них останавливаться не имеет смысла.

- разработка методики выполнения измерений [1].

"Методика измерений - это совокупность операций и правил, выполнение которых при проведении измерений обеспечивает получение результатов измерений в соответствии с используемым методом" [1]. В случае отсутствия стандартизованной, например изложенной в эксплуатационной документации, методики выполнения измерений (МВИ) требования к разработке новой МВИ регламентированы ГОСТ 8.467-82.

9

NB! МВИ - обязательная часть методики поверки СИ или программы государственной метрологической аттестации СИ.

2.2.2. Выполнение измерений.

Методические вопросы технологии выполнения измерений с помощью любого СИ в обязательном порядке изложены в его техническом описании и инструкции по эксплуатации (разделы "Подготовка к работе" и "Порядок работы"). В исключительных случаях - косвенные измерения, нестандартизованные СИ и др. - используются МВИ (см. выше).

В общем случае выполнение измерений не формализовано. Некоторые рекомендации по конкретным обстоятельствам - исключению систематических погрешностей; проведению прямых, косвенных, однократных, неравноточных измерений - даны в литературе [1].

2.2.3. Обработка результатов измерений.

Основная цель обработки - получение результата измерения и оценка его погрешности. Выбор конкретного метода обработки зависит от числа экспериментальных данных, от вида распределения погрешностей, от вида измерений, от требований к быстроте измерений и трудоемкости и других причин. Этап обработки включает следующие процедуры:

- предварительный анализ экспериментальных данных.

Число данных, распределение данных - гистограмма, проверка гипотезы о нормальном распределении по формулам Приложения D, исключение промахов по формулам раздела "Теория погрешностей).

- вычисление результата измерения.

По формулам Приложений A, B и C (случаи совместных и совокупных измерений специфичны и рассматриваться на лекциях не будут. За справками - к [1])

- оценивание погрешности измерения.

По формулам Приложений A, B и C.

2.3. Законодательная метрология.

Под законодательной метрологией подразумевается законодательное обеспечение объектов метрологической деятельности: средств измерений и методик выполнения измерений (МВИ). Цель этого обеспечения - сохранение единства измерений. Под единством измерений понимают характеристику качества измерений, заключающуюся в том, что результаты измерений выражаются в узаконенных единицах, раз-

10

меры которых в установленных пределах равны размерам воспроизведенных единиц, а погрешности результатов измерений известны с заданной вероятностью и не выходят за установленные пределы [1].

Закон в метрологии принято именовать стандартом. Таким образом, термин стандартизация <объекта> означает признание <объекта> законным (не стоит путать с термином правильный: правильный путь по словам того-же Шерлока Холмса - не всегда законный). В частности, стандартизация СИ и МВИ - прерогатива метрологической службы. А вот результаты измерений, проведенных квалифицированным (аттестованным) оператором с использованием узаконенных; метрологически исправных (в простейшем случае - поверенных) СИ по утвержденным МВИ, признаются законными и без участия метрологической службы.

Законность результатов измерений обязательна отнюдь не всегда, а только при измерениях в метрологии, в здравоохранении, в торговле, в спорте, в экологии и в специальных областях жизнедеятельности государства, в частности, в экспертизе. В прочих случаях могут применяться нестандартизованные СИ и МВИ, не регламентируются требования к квалификации оператора (следует, однако, заметить, что требование законности результатов измерений может выдвинуть и оплатить заказчик, например военное ведомство при приемке своей продукции).

Порядок стандартизации регламентируется комплексом законов, образующих ГСС - Государственную систему стандартизации, основные положения которой сформулированы в ГОСТ 1.0-68 [44]. Законодательной базой в области метрологии является ГСИ - государственная система стандартов обеспечения единства измерений по ГОСТ 1.25-76 [30], охватывающая комплекс государственных стандартов. К вопросам метрологии также имеют непосредственное отношение отдельные стандарты комплексов ЕСКД - единой системы конструкторской документации, ЕСТД - единой системы технологической документации, ЕССП - единой системы стандартов приборостроения, ССБТ - системы стандартов безопасности труда и ряд других.

Государственные стандарты делятся на базовые и рабочие. В ГСИ к базовым относят [29, 37, 47, 48, 49, 28, 46, 26, 25, 50, 51, 52, 53, 54, 13, 55, 19, 18, 22, 27, 17, 21, 56, 10, 57]. На их основе разрабатываются ра-

бочие стандарты ГСИ, в которых требования базовых стандартов конкретизируются по областям измерений, по измерительным процессам, по средствам измерений. Относящиеся к рабочим государственные стандарты ГСИ делят на четыре группы:

1)стандарты государственных эталонов и поверочных схем,

2)стандарты методов и средств поверки,

3)стандарты норм точности измерений,

4)стандарты методик выполнения измерений.

Подзаконный акт в законодательной метрологии имеет форму нормативно-технического документа (НТД). Виды НТД: