Лекции по метрологии. Часть 2

11

-технические условия,

-технические требования,

-методические указания и проч.

2.3.1. Историческая справка.

Все началось 20.05.1875 г., когда в Париже представителями 17 стран, в т.ч. и России, была подписана Метрическая конвенция и в Севре (Франция) было организовано Международное бюро мер и весов -

BIPM (Bureau International des Poides et Mesures). Оформилось создание государственных метрологических организаций: в Германии в 1887 г. -

DIN (Deutsches Institut fur Normung); в России в 1893 г. - Главная палата мер и весов (ныне - ВНИИМ Госстандарта); в Англии в 1900 г. - NPL

(National Physical Laboratory); в США в 1901 г. - NBS (National Bureau of Standards, ныне NIST - National Institute for Standards and Technology и ANSI - American National Standards Institute).

Сегодня чисто метрологические вопросы на межгосударственном уровне курирует выросшая из Метрической конвенции Международная организация законодательной метрологии (основана в 1956 г.). Она занимается следующими областями метрологической деятельности: терминология; методы измерений; НТД, регламентирующая передачу размера единиц.

Общие вопросы, касающихся стандартов, отошли в ведение Международной организация стандартизации (ISO), также, как и ряд специальных, а именно метрология поверхности (технический комитет

ISO/TC57), ротаметрия (ISO/TC30, ISO/TC113), акустика (ISO/TC43), и

др. Прочие отраслевые вопросы стандартизации остались у профессиональных международных организаций, таких как МККТТ (Международный консультативный комитет по телеграфии и телефонии), МЭК (Международная электротехническая комиссия), МКЭ (Международный комитет по электронике), МКО (Международная комиссия по освещению), МКРЕ (Международная комиссия по радиационным единицам и измерениям), ИМЕКО (Международная конфедерация по измерительной технике и приборостроению), решения которых имеют сугубо рекомендательный характер.

2.3.2. Системы единиц и первичные эталоны.

Важнейшим из методов обеспечения единства измерений является унификация единиц физических величин. При этом приходится делать выбор между единицами различных систем: англо-американской (неметрической), МКГСС, Планка, Хартли, Международной системы SI (Systeme International) и других. Система единиц физических величин - это совокупность основных и производных единиц, образованная в со-

12

ответствии с некоторым(и) исходно принятым(и) для конкретной системы принципом(ами). Естественными стали называть системы единиц физических величин, основанные на принятии в качестве единиц основных величин значений фундаментальных физических постоянных (Планка, Хартли, Людовичи), - такие системы единиц мы в наших лекциях рассматривать не будем. Очевидную перспективу развития имеют, однако, только метрические системы [60], базирующиеся на метре, как единице длины, и использующие десятичное подразделение кратных и дольных единиц.

С 01.01.1982 г. по России ГОСТом 8.417-81 [37] введена в действие метрическая система SI, поэтому остановимся на ее единицах подробнейшим образом. Основные единицы SI: метр, килограмм, секунда, кельвин, ампер, моль и кандела. Их латинское и русское обозначения и определение приведены в следующей таблице.

13

ся атомов в углероде-12 массой

0,012 кг

Сила света кандела кд (cd) Сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540*1012 Гц, энергетическая сила излучения которого в этом направлении составляет

1/683 Вт/ср [XVI ГКМВ - 1979]

Остальные единицы SI - производные. Производной называется единица, образованная в соответствии с уравнением (чаще всего формализующим какой-либо из фундаментальных законов природы), связывающим ее с основными единицами. Для этого в правой и в левой части соотношения все величины принимают равными единицам SI. Производная единица считается когерентной, если в полученном уравнении числовые коэффициенты равны единице.

Ранее (до 1980 г.) среди производных особо выделяли две единицы: радиан и стерадиан, называя их дополнительными единицами. Обозначение и выражение дополнительных единиц приведено в следующей таблице.

Обозначение и выражение производных единиц, имеющих собственное наименование, приведено в следующей таблице.

14

Для удобства выражения размера физической величины, намного большего или намного меньшего основной или производной единицы, применяют соответственно кратные и дольные единицы. В SI принято десятичное основание для образования кратных и дольных единиц и следующие приставки: тера Т (T) - 1012; гига Г (G) - 109; мега М (M) - 106; кило к (k) - 103; гекто г (h) - 102; дека да (da) - 101; деци д (d) – 10-1; санти с (c) – 10-2; милли м (m) – 10-3; микро мк ( ) – 10-6; нано н (n) –

– 10-9; пико п (p) – 10-12; фемто ф (f) –10-15.

Наряду с единицами SI разрешено и ограниченное применение внесистемных единиц:

распространенных - тонна; век, год, месяц, неделя, сутки, час, минута; <угловые> градус и минута, секунда; литр; градус Цельсия;

специальных - астрономическая <единица>, световой год, парсек в астрономии; диоптрия (м-1) в оптике; гектар в сельском и лесном хозяйстве; атомная единица массы; электронвольт в атомной физике; вар; вольт-ампер в электротехнике; град или гон ( /200 рад) в геодзии;

15

временных - морская миля (1852 м); узел (1852 м/ч); карат (0,2 г); текс (мг/м); оборот в секунду и оборот в минуту; бар (105 Па); непер

(8,686... дБ);

безразмерных - единиц отношения: процент (%), промилле (%0 или pm), миллионная доля (ppm); единиц уровня: бел, децибел; единиц интервала: октава, декада.

Применение безразмерных единиц, как таковое, обусловлено тем, что пределы изменения некоторых физических величин чрезвычайно широки, представление их требует большого количества цифр, а это затрудняет непосредственное оценивание и проведение вычислений без применения компьютерной техники. В этих случаях используются гораздо более компактные безразмерные величины и их единицы. Среди последних неясности чаще всего возникают при определении безразмерных единиц уровня и интервала. Их соотношение с абсолютными единицами приведено в следующей таблице.

Таблица Соотношение безразмерных единиц уровня и интервала

с абсолютными единицами

16

*Значение опорной величины бывает и стандартизованным (звуковое давление 20 мкПа - в акустике, мощность излучения 1 мВт - в волоконной оптике, напряжение 0,775 В и ток 1,29 мА - в электротехнике, в напряжение 1 мкВ - в радиотехнике, ...).

В связи с наблюдаемым в последние годы распространением компьютерной регистрации и обработки измерительной информации особый интерес представляют две единицы, еще не вошедшие в SI [63]. Они приведены в следующей таблице.

Вплотную к "единичной" тематике примыкает вопрос о шкалах физических величин. Понятие шкалы реализует разделительный принцип при количественном выражении свойств (или состояний). Шкалой называется последовательность числовых значений (отметок) физической величины, соответствующих свойствам оцениваемых ими объектов и устанавливаемых по определенным правилам:

шкала номиналов - сортировка (например, да/нет, тепло/холод, заряд/разряд, ...);

шкала порядков - классификация, или качественное оценивание (например, отлично/хорошо/удовлетворительно/неудовлетворительно); шкала интервалов - количественное оценивание (например, шка-

лы медицинского градусника, радиоприемника); шкала отношений - шкала интервалов, дополненная нулем (на

пример, шкала автомобильного тахометра);

шкала пропорциональности - шкала отношений в единицах SI. Различают абсолютные и условные шкалы, выражаемые в абсолютных (SI) и условных (внесистемных) единицах. В ряде случаев размеры абсолютных и условных единиц совпадают, например, кельвин (К) и градус Цельсия (оС). Шкалы, проградуированные в одинаковых единицах, могут различаться началом отсчета, в простейшем случае – это календари. Наконец, шкалы бывают двумерные (в хронометрии, в термометрии, ...) и трехмерные (например, в колориметрии). Возможно построение многомерных шкал. Шкалы выполняются размерными и безраз-

17

мерными; аналоговыми, цифровыми и комбинированными; линейными и нелинейными, вертикальными, горизонтальными, круговыми, секторными, зеркальными и т.д., и т.п [9, 8, 4, 60].

Наиболее известные шкалы предназначены для измерения:

-времени (шкала атомного времени UTC, астрономические шкалы - шкалы всемирного времени UT-0, UT-1 и UT-2, шкала координированного времени TAC, шкала эфемеридного времени TE, календари);

-температуры (практические шкалы температур МПТШ-27, МПТШ-48, МПТШ-60, МПТШ-68, МПТШ-90, шкалы термодинамических температур: Кельвина - абсолютная и Ренкина, шкалы температур Реомюра, Фаренгейта, Цельсия);

-световых величин – об этом в курсе фотометрии;

-светочувствительности – об этом в курсе спектрометрии;

-цвета – об этом в курсе колориметрии;

-твердости (шкалы Бринелля, Роквелла/Супер-Роквелла, Виккерса, Шора, Мооса);

-акустических величин (уровня громкости, громкости сложных звуков, уровня звука, порога слышимости, громкости исполнения, высоты звука);

-ионизирующих излучений (дозы смешанного излучения);

-pH водных растворов;

-характеристик землетрясений (силы, интенсивности);

-характеристик погоды (силы ветра, волнения моря).

Взаключение отметим, что на единицы величин, оцениваемые по условным шкалам, требования SI не распространяются.

Воспроизведение единиц SI первичными эталонами, первичные и специальные эталоны рассмотрим в следующем параграфе.

2.3.3. Метрологическая иерархия СИ.

Соотнесение погрешностей однородных СИ образует метрологическую иерархию СИ, формализуемую поверочной схемой, которая узаконивается выпуском соответствующего стандарта. Метрологическая иерархия устанавливает точностное соподчинение СИ при передаче размера единицы (поверке). При наличии двух и более ступеней передачи разрабатывается поверочная схема, регламентирующая порядок передачи для одной или нескольких взаимосвязанных единиц. Поверочная схема состоит из чертежа и текстовой части, содержащей пояснения к чертежу [46]. На чертеже в порядке нисхождения точности компонуются элементы поверочной схемы - методы передачи размера единицы и СИ:

эталоны по ГОСТ 8.057-80 (государственный эталон, эталонкопия, эталон-компаратор для международных сличений, рабочий эталон);

18

образцовые средства измерений - каждое по своему ГОСТу в соответствии с родом измеряемой величины (ОСИ 1-го, 2-го и 3-го разрядов, а также ОСИ, заимствованные из других поверочных схем) и поверочные установки по ГОСТ 8.525-85;

стандартные образцы по ГОСТ 8.315-78; рабочие средства измерений - каждое по своему ГОСТу (в зави-

симости от рода измеряемой величины) [1].

Рис. 2.3.3. Пример выполнения чертежа поверочной схемы.

Решение задач законодательной метрологии осуществляется Государственной метрологической службой России. В целом этой организации и посвящается вся следующая глава.

19

2.4. Метрологическая служба.

Государственной метрологической службой России называют сеть федеральных метрологических органов, деятельность которых направлена на решение задач: установления единства измерений, установления единообразия средств измерений.

Методы метрологической службы: государственный надзор и ведомственный контроль за СИ (в формах испытаний, поверки, аттестации); лицензирование объектов метрологической и сопутствующей (определенные изделия приборостроения) деятельности; аккредитация субъектов метрологической деятельности на право проведения работ.

Виды метрологической деятельности:

-анализ состояния измерений,

-метрологическое обеспечение подготовки производства;

-метрологическая экспертиза документации;

-стандартизация и аттестация методик выполнения измерений;

-испытания средств измерений;

-метрологическая аттестация средств измерений;

-поверка средств измерений;

-метрологическое обеспечение качества продукции;

-метрологические вопросы сертификации продукции;

-государственный надзор и ведомственный контроль за внедрением и соблюдением стандартов, технических условий, метрологическим обеспечением и качеством выпускаемой продукции;

-метрологическая ревизия средств измерений.

На основных видах деятельности метрологической службы остановимся подробно.

2.4.1. Метрологическая экспертиза.

Объектами метрологической экспертизы могут быть средства измерений [70] и документация [20].

Средства измерений подвергаются метрологической экспертизе в случае возникновения спорных вопросов по требованию: органов суда и прокуратуры, государственного арбитража, милиции и спецслужб, а также по заявкам юридических и физических лиц. Метрологическая экспертиза осуществляется лицами - уполномоченными органов Государственной метрологической службы. По результатам экспертизы составляется акт, который утверждается руководителем органа Государственной метрологической службы и вручается заинтересованным сторонам. В тех случаях, когда результаты метрологической экспертизы дают основания предполагать нарушение закона, независимое представление руководителя органа Государственной метрологической

20

службы может служить основанием для прокуратуры в возбуждении уголовного дела.

Экспертизе метрологической службой подлежит, естественно, не вся выпускаемая (и, тем более, издаваемая) документация, а, за редким исключением, только нормативно-техническая документация.

Общие методы и способы решения задач метрологической экспертизы: основные задачи метрологической экспертизы технической документации; проверка соблюдения терминологии, наименований и обозначений физических величин и их единиц; установление рациональной номенклатуры измеряемых (контролируемых) параметров; установление полноты и правильности требований к СИ, к МВИ; анализ требований к показателям точности измерений; оценивание правильности выбора СИ по точности.

Особенности метрологической экспертизы конкретных видов НТД: метрологическая экспертиза технического задания; метрологическая экспертиза технических условий; метрологическая экспертиза чертежей; метрологическая экспертиза технологической документации; метрологическая экспертиза документации при проведении НИР.

Проведение метрологической экспертизы регламентировано ГОСТ 8.103-73 [21] и МИ 1325-86 [23].

2.4.2. Испытания средств измерений.

"С помощью испытаний можно доказать наличие технической ошибки, но не ее отсутствие".

Э. Дийкстра (Голланд.) Stern. 1986. 3 apr.

Виды испытаний: общие сведения об испытаниях; стадии создания средств измерений, НИР и ОКР; испытания на стадиях жизненного цикла СИ; общие требования к проведению испытаний; предварительные испытания; программы и методики испытаний.

Государственные испытания средств измерений: нормативные основы работ, цели и задачи испытаний СИ; этапы и система гос. испытаний СИ - основные положения; гос. приемочные испытания; гос. контрольные испытания; эксплуатационные испытания; подготовка СИ и технической документации к гос. испытаниям; основные требования, предъявляемые к технической документации, предъявляемой на гос. испытания; оценивание технического уровня СИ, анализ результатов государственных испытаний.

Средства испытаний: планирование процесса испытаний; аттестация испытательного оборудования.

Органы и службы испытаний и сертификации СИ: головные организации по государственным испытаниям СИ; территориальные органы Госстандарта РФ; служба испытаний приборостроительного пред-