Содержание курса Метрология, Стандартизация и Сертификация

(для специальностей всех факультетов кроме МТ)

Краткое содержание вопросов по курсу

«Метрология, стандартизация и сертификация»

1

Основные вехи в развитии метрологии

1.Наиболее широкое распространение измерения получили в обществах известных цивилизаций древности в Индии, Китае, Вавилоне, Египте. Так, в Вавилоне было принято, что сутки содержат 24 часа, 1 час — 60 минут, 1 минута — 60 секунд. Вавилонские меры (мера длины — локоть, меры массы — талант, мин) перешли в Грецию и Рим, а затем в Европу, где получили дальнейшее развитие. Так, меры длины локоть и аршин пришли на Русь из Вавилона и были дополнены древнерусской мерой — пядью, которая равнялась 1/4 аршина и представляла собой расстояние между концами большого и указательного пальцев взрослого человека. Позднее (в ХУIII в.) в России появилась еще одна мера длины — дюйм, позаимствованная в Западной Европе. Процесс взаимообогащения и взаимопроникновения мер, с одной стороны, был вызван товарообменом между странами, а с другой — способствовал его развитию.

2. Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способа достижения заданного уровня точности.

2

Предмет, цели и задачи метрологии

Метрологическая служба —совокупность субъектов деятельности и видов работ, направленных на обеспечение единства измерений, иначе говоря организация, отдельное предприятие или отдельное структурное подразделение, на которое возложена ответственность за обеспечение единства измерений. Это может быть государственная метрологическая служба, метрологические службы государственных органов управления РФ и метрологические службы юридических лиц.

3. Назначение ГСИ — обеспечение единства измерений в стране, т.е. управление субъектами, нормами, средствами и видами деятельности в целях установления и применения научных, правовых, организационных и технических основ, правил, норм и средств, необходимых для достижения требуемого уровня единства измерений.

Под единством измерений в настоящее время принято понимать такое их состояние, при котором результаты измерений выражены в узаконенных единицах физических величин, а погрешность измерений не выходит за установленные границы с заданной вероятностью.

ГСИ состоит из трех подсистем: организационной, правовой и технической.

Главной стратегической целью этой деятельности является охрана прав и законных интересов отдельных граждан, предприятий (организаций) и экономики всей страны в целом.

4. Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способа достижения заданного уровня точности.

Средство измерений – техническое средство (комплекс технических средств), предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящие и хранящие единицу физической величины, размер которой принимается неизменным в течение известного интервала времени

3

Основные положения Государственной системы обеспечения единства

1. Государственная метрологическая служба РФ (ГМС) представляет собой совокупность государственных метрологических органов и создается для управления деятельностью по обеспечению единства измерений.

Общее руководство ГМС осуществляет Госстандарт, на который в соответствии с Законом «Об обеспечении единства измерений» возложены множество функций, основными из которых являются:

• межрегиональная и межотраслевая координация деятельности по обеспечению единства измерений;

• представление Правительству предложений по единицам величин, допускаемых к применению;

• установление правил создания, утверждения, хранения и применения эталонов единиц величин;

• определение общих метрологических требований к средствам, мерам и результатам измерений; государственный метрологический контроль и надзор;

• контроль за соблюдением условий международных договоров о признании результатов испытаний и поверки средств измерений;

• руководство деятельностью Государственной метрологической службы и иных государственных служб обеспечения единства измерений;

• участие в деятельности международных организаций по вопросам обеспечения единства измерений;

В состав ГМС входят семь государственных научных метрологических центров, которые специализируются на различных единицах физических величии. Среди них:

— НПО «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» (Санкт-Петербург),

— НПО «ВНИИ физико-технических и радиотехнических измерений» Московская область,

- НПО «ВНИИ оптико-физических измерений» Москва,

-Уральский научно-исследовательский институт метрологии (УНИИМ, Екатеринбург) ,

— Сибирский государственный научно-исследовательский институт метрологии (СНИИМ, Новосибирск),

— Всероссийский научно-исследовательский институт метрологической службы (ВНИИМС, Москва) — специализируется на геометрических и электрических величинах, давлении, параметрах электромагнитной совместимости.

Научные центры, как правило, являются держателями государственных эталонов. Они также проводят исследования по теории измерений, принципам и методам высокоточных измерений, разработке научно-методических основ совершенствования российской системы измерений.

Деятельность метрологических служб основывается на законодательных и нормативных документах, регламентирующих различные направления, в том числе по метрологическому обеспечению производства и сертификации систем качества; эталонах и средствах измерений, контроля испытаний; специалистах, имеющих специальную профессиональную подготовку, квалификацию и опыт в проведении метрологических работ и услуг.

Метрологические службы предприятий могут быть аккредитованы на право калибровки средств измерений на основе договоров, заключаемых с государственными научными метрологическими центрами или органами ГМС.

4

Сущность основных терминов и понятий в области метрологии

2. Основные термины метрологии установлены государственными стандартами.

Измерение — совокупность операций, выполняемых с помощью специального технического средства, хранящего единицу величины, позволяющего сопоставить измеряемую величину с ее единицей и получить значение этой величины. Это значение называют результатом измерений.

Средство измерения (СИ) - специальное техническое средство, хранящее единицу величины, позволяющую сопоставить измеряемую величину с ее единицей.

Мера — это средство измерения, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера: гири, концевые меры длины, нормальные элементы (меры ЭДС).

Погрешность (Δ) — это разность между показаниями СИ (х) и истинным (действительным) значением измеряемой физической величины (Q).

Δ = х - Q

Погрешность характеризует точность результатов измерений, проводимых данным средством.

Точность — свойство измерений, отражающее близость их результатов к истинному значению измеряемой величины. Высокая точность измерений соответствует малым погрешностям, как систематическим, так и случайным.

Правильность — свойство измерений, отражающее близость к нулю систематических погрешностей в их результатах. Результаты измерений правильны, когда они не искажены систематическими погрешностями.

Сходимость — свойство измерений, отражающее близость друг другу результатов измерений, выполняемых в одинаковых условиях, одним и тем же СИ, одним и тем же оператором.

Воспроизводимость — свойство измерений, отражающее близость друг к другу результатов измерений, выполняемых в различных условиях — в различное время, в разных местах, разными методами в средствами измерений.

Эталон единицы величины — средство измерения, предназначенное для воспроизведения и хранения единицы величины с целью передачи ее другим средствам измерений данной величины.

Поверка средств измерений (не путать со словом «проверка») — совокупность операций, выполняемых органами государственной метрологической службы (другими уполномоченными на то органами, организациями) с целью определения и подтверждения соответствия СИ установленным техническим требованиям

3. В соответствии с логической структурой проявления свойств в теории измерений принято различать пять типов шкал измерений:

1) шкала наименований (классификации);

2) шкала порядков (рангов);

З) шкала разностей (интервалов);

4) шкала отношений;

5) абсолютная шкала.

5

Что представляют собой измерения. Сущность, роль и место в научно-техническом прогрессе

1. По виду уравнения измерения, связывающего измеряемую и непосредственно наблюдаемую величину, измерения подразделяются на прямые, косвенные, совместные и совокупные.

Прямыми называют измерения, при которых искомое значение физической величины получают непосредственно (например), измерение массы на веcах)

Прямые измерения характеризуются уравнением измерения (12.28), которое соответствует преобразованию вида:

Q = c·X

Где: Q – значение измеренной величины

с – коэффициент (постоянный или переменной)

Х – непосредственно наблюдаемая величина

Косвенными называют измерения, при которых определение искомого значения физической величины производится на основании результатов прямых измерений других физических величин, функцонально связанных с искомой (например, определение объема тела по результатам его трех измерений)

Уравнение косвенных измерений после преобразования имеет вид:

Q = F(X1……Xn)

где Q— значение измеренной величины;

F— некоторая функция;

Х1, ..., Хn,, — непосредственно наблюдаемые величины.

Совместными называют проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для определения зависимости между ними (например измерение температуры и плотности вещества).

Совокупными принято называть проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин определяют путем решения системы уравнений, получаемой в результате измерений этих величин в различных сочетаниях (например определение массы отдельных гирь из набора при известном значении лишь одной из них).

2. Искомое значение получают, как правило, в виде числа, которое показывает, во сколько раз измеряемая величина больше или меньше однородной с ней величины, размер которой принят за единицу. Таким образом, результат измерений всегда выражается в единицах, которые хранят и воспроизводят средства измерений. Уравнение измерения, таким образом, имеет вид:

Q = q [Q]

Q- измеряемая величина

q — числовое значение измеряемой величины (отсчет показания по сред

ству измерений);

[Q]— единица величины, хранимая и воспроизводимая примененным

средством измерений.

Представленное уравнение описывает физический смысл измерения, но не учитывает всего многообразия преобразований, которые измеряемая величина действительно претерпевает в процессе измерения. Совсем необязательно получение на выходе числового значения величины, однородной с измеряемой (например, измерение объема жидкости, по результатам измерения ее массы).

Уравнение измерения является основным признаком по которому измерения классифицируются с целью разделения методов обработки экспериментальных данных и получения характеристик погрешности результата. Известно достаточно много классификаций измерений (по виду измеряемой величины, по виду представления измерительной информация и др.)

6

Основные единицы величин и системы единиц измерений, используемые в метрологии

4. Международная система единиц S1 была разработана специальной комиссией, в 1960 г. ее проект утвердила Генеральная конференция по мерам и весам. В нашей стране эта система была принята в 1961 г. и законодательно введена Госстандартом СССР. Международная система единиц имеет ряд достоинств, важнейшими из которых являются:

1) универсальность, т.е. охват всех отраслей науки, техники, народного хозяйства;

2) унификация единиц для всех видов измерений (например, единицы энергии и работы имеют одно наименование — джоуль),

3) практическое удобство применения основных и производных единиц (площадь — квадратный метр, объем — кубический метр, электрическое сопротивление — ОМ и т.д.);

Основные единицы S1

Основные единицы системы были выбраны в 1954 г. :

метр (обозначение м) — длина пути, проходимого светом в вакууме за интервал времени 1/299.792.458 секунды (1983 г.);

масса (кг) — единица массы, равная массе международного прототипа килограмма (1901 г.);

секунда (с) — время, равное 9.192.631.770 периодам излучения, соответствующее переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 (1967 г.);

ампер (А) — сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенных в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызывал бы на участке длиной 1 м силу взаимодействия (1961 г.);

кельвин (К) — единица термодинамической температуры, равная 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды (допускается применение градуса шкалы Цельсия: (t= Т— Т0, где Т0 = 273,16 К) (1967 г.);

моль — количество вещества системы, содержащей столько структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг (структурные элементы: атомы, молекулы, ионы и т.д.); эталонов моля нет.

кандела — сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой Гц, энергетическая сила которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср;

радиан — угол между двумя радиусами окружности, длина дуги между которыми равна радиусу;

стерадиан — телесный угол с вершиной в центре сферы, вырезающий на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной радиуса сферы. реализуемого при их поверке

7

Шкалы измерений. Основные типы шкал измерений в метрологии

3. В соответствии с логической структурой проявления свойств в теории измерений принято различать пять типов шкал измерений:

1) шкала наименований (классификации);

2) шкала порядков (рангов);

З) шкала разностей (интервалов);

4) шкала отношений;

5) абсолютная шкала.

Шкала наименований — шкала, элементы (ступени) которой характеризуются только соотношениями эквивалентности (совпадения, равенства, сходства) конкретных качественных проявлений свойств (например, атласы цветов).

Шкала порядка (ранга) — шкала, элементы которой допускают логическую взаимосвязь элементов не только в виде отношений эквивалентности (как у шкал наименований), но и отношений порядка по возрастанию или убыванию количественного проявления измеряемого свойства (например, шкалы чисел твердости, баллов землетрясений, силы ветра и т.п.).

Шкала разностей (интервалов) — шкала, допускающая дополнительно к соотношениям эквивалентности и порядка суммирование интервалов (разностей) между различными количественными проявлениями свойств (например, шкалы времени, температуры Цельсия).

Шкалы отношений — шкалы, к множеству количественных проявлений которых применимы соотношения эквивалентности и порядка — операции вычитания и умножения (шкалы отношений первого рода — пропорциональные шкалы) и суммирования (шкалы отношений второго рода — аддитивные шкалы).

Шкалы отношений допускают все арифметические и статистические операции.

Абсолютные шкалы — шкалы, обладающие всеми признаками шкал отношений, но дополнительно в них существует естественное однозначное определение единицы измерений. Такие шкалы используются для измерений относительных величин, таких, как, например, коэффициент полезного действия. Абсолютные шкалы могут опираться на эталоны, воспроизводящие любые их участки, но могут быть построены и без эталонов.

8

Международная система единиц SI

4. Международная система единиц S1 (в английской литературе - System International, в русской — СИ) была разработана специальной комиссией, в 1960 г. ее проект утвердила Генеральная конференция по мерам и весам. В нашей стране эта система была принята в 1961 г. и законодательно введена Госстандартом СССР. Международная система единиц имеет ряд достоинств, важнейшими из которых являются:

1) универсальность, т.е. охват всех отраслей науки, техники, народного хозяйства;

2) унификация единиц для всех видов измерений (например, единицы энергии и работы имеют одно наименование — джоуль),

3) практическое удобство применения основных и производных единиц (площадь — квадратный метр, объем — кубический метр, электрическое сопротивление — ОМ и т.д.);

4) ясное и четкое разграничение единицы массы и силы (сила — ньютон, масса — килограмм);

5) упрощение записи уравнений и формул из-за отсутствия в них переводных коэффициентов

6) когерентность, т.е. соотношение между дольными и кратными единицами в системе пропорционально десяти в целой степени (положительной или отрицательной);

7) образование производных единиц из основных без переходных коэффициентов, т.е. числовые переходные коэффициенты в определяющих уравнениях равны единице.

Основные единицы S1

Основные единицы системы были выбраны в 1954 г. :

метр (обозначение м) — длина пути, проходимого светом в вакууме за интервал времени 1/299.792.458 секунды (1983 г.);

масса (кг) — единица массы, равная массе международного прототипа килограмма (1901 г.);

секунда (с) — время, равное 9.192.631.770 периодам излучения, соответствующее переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 (1967 г.);

ампер (А) — сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенных в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызывал бы на участке длиной 1 м силу взаимодействия (1961 г.);

кельвин (К) — единица термодинамической температуры, равная 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды (допускается применение градуса шкалы Цельсия: (t= Т— Т0, где Т0 = 273,16 К) (1967 г.);

моль — количество вещества системы, содержащей столько структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг (структурные элементы: атомы, молекулы, ионы и т.д.); эталонов моля нет.

кандела — сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой Гц, энергетическая сила которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср;

радиан — угол между двумя радиусами окружности, длина дуги между которыми равна радиусу;

стерадиан — телесный угол с вершиной в центре сферы, вырезающий на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной радиуса сферы. реализуемого при их поверке.

9

Виды измерений

По виду уравнения измерения, связывающего измеряемую и непосредственно наблюдаемую величину, измерения подразделяются на прямые, косвенные, совместные и совокупные.

Прямыми называют измерения, при которых искомое значение физической величины получают непосредственно (например), измерение массы на веcах)

Прямые измерения характеризуются уравнением измерения (12.28), которое соответствует преобразованию вида: Q = c·X

Где: Q – значение измеренной величины

с – коэффициент (постоянный или переменной)

Х – непосредственно наблюдаемая величина

Косвенными называют измерения, при которых определение искомого значения физической величины производится на основании результатов прямых измерений других физических величин, функцонально связанных с искомой (например, определение объема тела по результатам его трех измерений)

Уравнение косвенных измерений после преобразования имеет вид:

Q = F(X1……Xn)

где Q— значение измеренной величины;

F— некоторая функция;

Х1, ..., Хn,, — непосредственно наблюдаемые величины.

Совместными называют проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для определения зависимости между ними (например измерение температуры и плотности вещества).

Совокупными принято называть проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин определяют путем решения системы уравнений, получаемой в результате измерений этих величин в различных сочетаниях (например определение массы отдельных гирь из набора при известном значении лишь одной из них).

10

Сущность и важнейшие положения основного уравнения измерения

Искомое значение получают, как правило, в виде числа, которое показывает, во сколько раз измеряемая величина больше или меньше однородной с ней величины, размер которой принят за единицу. Таким образом, результат измерений всегда выражается в единицах, которые хранят и воспроизводят средства измерений. Уравнение измерения, таким образом, имеет вид:

Q = q [Q]

Q- измеряемая величина

q — числовое значение измеряемой величины (отсчет показания по сред

ству измерений);

[Q]— единица величины, хранимая и воспроизводимая примененным

средством измерений.

Представленное уравнение описывает физический смысл измерения, но не учитывает всего многообразия преобразований, которые измеряемая величина действительно претерпевает в процессе измерения. Уравнение измерения является основным признаком по которому измерения классифицируются с целью разделения методов обработки экспериментальных данных и получения характеристик погрешности результата. Известно достаточно много классификаций измерений (по виду измеряемой величины, по виду представления измерительной информация и др.)

11

Совместные измерения

Целью совместных измерений является установление функциональной зависимости между двумя величинами. Для отыскания зависимости у=f(х) между переменными последовательно устанавливают и измеряют значения х, одновременно измеряя соответствующие значения у. В результате совместных измерений получают координаты исследуемой зависимости (хi, уi). Так как результаты измерения хi и уi содержат погрешности, полученные координаты не будут принадлежать истинной зависимости. Поэтому при выполнении совместных измерений возникает задача аппроксимации зависимости у = f(х) по экспериментальным данным так, чтобы она наилучшим образом описывала истинную зависимость. Кроме того, необходимо ответить на вопросы: действительно ля аппроксимирующая функция наилучшим образом приближается к искомой зависимости и какой мерой можно оценить приближение экспериментальной зависимости к истинной.

Методы аппроксимации:

-метод наименьших квадратов

-приближение в отдельных точках

-приближение по методу средних

-параболическая интерполяция

-разностные интерполяционные формулы.

12

Графические методы подбора вида формулы, отвечающей фактическим

(экспериментальным) данным

Графические методы подбора вида формулы, отвечающей фактическим (экспериментальным) данным

Основные правила подбора вида формулы

1. Составляют таблицу, данные которой показывают, как взаимно изменялись изучаемые переменные величины.

2. Обработка опытных данных графическими методами, для чего зависимость между переменными изображают в прямоугольной системе координат с применением равномерных шкал. Получение на графиках прямых свидетельствует о наличии зависимости между переменными, выражаемой уравнением прямой.

3.Если на графиках получились плавные кривые, то не исключается возможность найти формулу зависимости между переменными, но для этого необходимо подобрать такие неравномерные шкалы, применение которых спрямит его кривые.

4. В случае, когда спрямление кривых достигнуто, нахождение вида искомой формулы не представляет особых затруднений.

5. Если спрямления кривых получить не удалось, то остается метод подбора различных видов формул на основании характера кривых, полученных при построении опытных данных с применением на осях координат разных шкал.

6. При изучении зависимости между несколькими переменными, разбивают обработку опытных данных на отдельные этапы, каждый из которых сводят к определению зависимости только между двумя переменными. Затем полученные данные объединяют в одну формулу.

Способ избранных точек

Порядок вычислений по этому способу .

1. На кривой сглаженного графика выбирают п точек (по числу подлежащих определению коэффициентов). Для удобства абсциссы этих точек должны совпадать с круглыми делениями шкалы по оси х и отстоять дальше одна от другой (но не на концах кривой, которые ненадежны).

2. Каждую из п пар опытных значений х и у подставляют в избранное уравнение, что дает систему п уравнений с п неизвестными.

3. Эту систему уравнений решают относительно неизвестных, то есть искомых коэффициентов формулы.

4.После определения коэффициентов избранного уравнения устанавливают соответственно уравнения опытной сглаженной кривой, проверяя ряд точек (их количество должно быть не меньше, чем количество опытных точек).

5.Составляют таблицу отклонений результатов вычислений от опытной кривой и определяют абсолютную и относительную ошибки принятой формулы.