Файл: Предмет и задачи метрологии.pdf

1
Предмет и задачи метрологии.
Метрология (греч. «metron» - мера, «logos» - учение) наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства, и способах достижения требуемой точности.
Метрология, как и любая наука является состоявшейся, если она имеет свой объект, предмет и методы исследования.
Предмет любой науки отвечает на вопрос ЧТО данной наукой изучается.
Предметом метрологии является измерение свойств объектов (длины, массы, плотности и пр.) и процессов (скорость протекания, интенсивность протекания и др.) с заданной точностью и достоверностью.
Объектом метрологии является физическая величина.
Метрологию разделяют на три основных раздела:

Теоретическая метрология - — раздел метрологии, предметом которого является разработка фундаментальных основ метрологии;

Прикладная(практическая) метрология — раздел метрологии, предметом которого являются вопросы практического применения разработок теоретической метрологии и положений законодательной метрологии.;

Законодательная метрология — раздел метрологии, предметом которого является установление обязательных технических и юридических требований по применению единиц физических величин, эталонов, методов и средств измерений, направленных на обеспечение единства и необходимости точности измерений в интересах общества.
Основной задаче метрологии является обеспечение единства измерений.
Основные понятия и определения
Мера это средство измерения, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера.
Физическая величина — одно из свойств физического объекта (физической системы, явления или процесса), общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них.

2
Качественная сторона понятия физическая величина определяет род величины
(длина, масса), а количественная ее «размер» (длина, масса конкретного объекта). Размер
физической величины существует объективно независимо от того знаем мы его или нет.
Физические величины можно измерить или оценить, в зависимости от чего они делятся на измеряемые и оцениваемые. Измеряемые физические величины могут быть выражены количественно в виде определенного числа установленных единиц измерения.
Физические величины, для которых по тем или иным причинам нет единицы измерения, могут быть только оценены. Под оцениванием понимается операция приписывания данной величине определенного числа, проводимая по установленным правилам. Оценивание величины осуществляют при помощи установленных шкал.
Соответственно, метрология как наука об измерениях изучает только измеряемые физические величины, т. е. величины, для которых может существовать физически реализуемая и воспроизводимая в специальных технических средствах (эталонах) единица величины. Балльная оценка свойств (знаний школьников, выступлений спортсменов, силы ветра и др.), экспертная и органолептическая оценка (вкуса, запаха и т. д.), а также квалиметрическая оценка качества продукции (может быть использована для анализа
производственных процессов, а также для контроля динамики изменения качества
процесса при реализации этапов его совершенствования) не являются объектами метрологии.
Для выражения количественного содержания свойства конкретного объекта употребляется понятие «размер ФВ», оценку которого устанавливают в процессе измерения. Размер физической величины – это количественная определенность физической величины, присущая конкретному материальному объекту, системе, явлению или процессу. Размер физической величины не зависит от того, знаем мы его или нет.
Например, каждое тело обладает определенной массой, вследствие чего тела можно различать по их массе, т. е. по размеру интересующей нас ФВ.
Выразить размер, т. е. произвести его оценку, мы можем при помощи любой из единиц данной величины и числового значения.
Выражение размера физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц называют значением физической величины. Например, значения физических величин: массы – 2 кг, длины – 3 м, прочности – 100 МПа; где цифры 2, 3 и 100 – отвлеченные числа, входящие в значение величины и являющиеся числовыми значениями физических величин. Значения физических величин будут зависеть от выбранной единицы

3 измерения. Например, длина объекта: 2 м, 20 дм, 200 см и 2000 мм. Нахождение значения физической величины является основной целью и результатом измерений.
Под единицей ФВ понимают физическую величину фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное единице, и которая применяется для количественного выражения однородных с ней физических величин.
Однородными называются физические величины, выражающие одно и то же в количественном отношении свойство. Однородные физические величины выражаются в одинаковых единицах и могут сравниваться друг с другом (например, длина и диаметр детали).
Выделяют три группы физических величин.
В первую группу входят физические величины, характеризующие свойства объектов: длина, масса, электрическое сопротивление и т. п.
Во вторую группу – физические величины, характеризующие состояние системы: давление, температура, магнитная индукция и т. п.
В третью – физические величины, характеризующие процессы – скорость, ускорение, мощность и др.
Измеряемой физической величиной является физическая величина, подлежащая измерению, измеряемая или измеренная в соответствии с основной целью измерительной задачи. Влияющая физическая величина – физическая величина, непосредственно не измеряемая средством измерений, но оказывающая влияние на него и на объект измерения таким образом, что это приводит к искажению результата измерения. Например, если измеряемой физической величиной является плотность, то влияющей величиной – температура.
По степени условного постоянства выделяют постоянную и переменную физические величины. Постоянной физической величиной является физическая величина, размер которой по условиям измерительной задачи можно считать не изменяющимся на протяжении времени измерения.
Переменная физическая величина – это физическая величина, изменяющаяся по размеру в процессе измерения.
По степени условной независимости от других величин физические величины делятся на основные (условно независимые в конкретной системе единиц) и производные,

4 образуемые из основных единиц (условно зависимые). В международной системе СИ, действующей в настоящее время, используются семь физических величин, выбранных в качестве основных: длина, время, масса, термодинамическая температура, сила электрического тока, сила света и количество вещества. Другие величины – условно зависимые (производные), образованы из независимых величин с использованием связей между ними.
Измерение — познавательный процесс, заключающийся в сравнении путем физического эксперимента данной физической величины с известной физической величиной, принятой за единицу измерения.
Средствами измерений называют применяемые при измерениях технические средства, имеющие нормированные метрологические свойства. В этом определении основную смысловую нагрузку, вскрывающую метрологическую суть средств измерений
(СИ), несут слова «нормированные метрологические свойства». Наличие нормированных метрологических свойств означает, во-первых, что средство измерений способно хранить или воспроизводить единицу (или шкалу) измеряемой величины, и, во-вторых, размер этой единицы остается неизменным в течение определенного времени.
Если бы размер единицы был нестабильным, нельзя было бы гарантировать требуемую точность результата измерений.
Отсюда следуют три вывода:
• измерять можно лишь тогда, когда техническое средство, предназначенное для этой цели, способно хранить единицу, достаточно стабильную (неизменную во времени) по размеру;
• техническое средство непосредственно после изготовления еще не является средством измерения; оно становится таковым только после передачи ему единицы от другого, более точного средства измерений (эта операция называется калибровкой);
• необходимо периодически контролировать размер единицы, хранимый средством измерения, и при необходимости восстанавливать его прежнее значение путем проведения новой калибровки.
По назначению различают рабочие средства измерений, применяемые для проведения технических измерений, и метрологические, предназначенные для проведения метрологических измерений.
Метрологические средства измерений называются эталонами.

5
Так как измеряются свойства, общие в качественном отношении многим объектам или явлениям, то эти свойства в чем-то должны проявляться, как-то должны обнаруживаться. Технические устройства, предназначенные для обнаружения (индикации) физических свойств, называются индикаторами. Стрелка магнитного компаса, например,
— индикатор напряженности магнитного поля; осветительная электрическая лампочка — индикатор электрического напряжения в сети; лакмусовая бумага — индикатор активности ионов водорода в растворах.
С помощью индикаторов устанавливается наличие измеряемой физической величины и может регистрировать изменение ее размера. В этом отношении индикаторы играют ту же роль, что и органы чувств человека, но значительно расширяют их возможности. Человек, например, слышит в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц, в то время как техническими средствами обнаруживаются звуковые колебания в диапазоне от инфранизких (доли герца) до ультравысоких (десятки и сотни килогерц) частот. Видят люди в узком оптическом диапазоне электромагнитных волн, а инструментально регистрируются электромагнитные колебания от сверхнизкочастотных радиоволн с частотой, составляющей доли герца, до жесткого гамма-излучения с частотой порядка 1022
Гц.
Так как индикаторы должны обнаруживать проявление свойств окружающего мира, важнейшей их технической характеристикой является порог обнаружения (иногда его называют порогом чувствительности). Чем меньше порог обнаружения, тем более слабое проявление свойства регистрируется индикатором. Современные индикаторы обладают очень низкими порогами обнаружения, лежащими на уровне фоновых помех и собственных шумов аппаратуры.
Все технические средства, предназначенные для измерений, называются средствами измерений.
Кроме индикаторов к ним относятся вещественные меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки, измерительные системы, технические системы и устройства с измерительными функциями, стандартные образцы.
Качество измерений характеризуется: точностью, достоверностью, правильностью, сходимостью и воспроизводимостью измерений. Точность измерительного прибора это - метрологическая характеристика прибора, определяемая погрешностью измерения, в пределах которой можно обеспечить использование данного измерительного прибора.

6
Испытанием называется экспериментальное определение количественных и (или) качественных характеристик свойств объекта испытаний как результата воздействия на него при его функционировании, а также моделировании объекта и (или) воздействий.
Экспериментальное определение характеристик свойств объекта при испытаниях может проводиться путем использования измерений, оценивания и контроля.
Объектом испытаний является продукция или процессы ее производства и функционирования. В зависимости от вида продукции и программы испытаний объектом может быть, как единичное изделие, так и их партия. Объектом испытания может также быть макет или модель изделия.
Важнейшими признаками любых испытаний являются:
• принятие на основе их результатов, определенных решений по объекту испытаний, например, о его годности или забраковке, о возможности предъявления на следующие испытания и т.д.;
• задание требуемых реальных или моделируемых условий испытаний. Под условиями испытаний понимается совокупность воздействующих факторов и (или) режимов функционирования объекта при испытаниях. В нормативно-технических документах на испытания конкретных объектов должны быть определены нормальные условия испытаний.
Существует большое число разновидностей испытаний. Они классифицируются по различным признакам.
По назначению испытания делятся на исследовательские, контрольные, сравнительные и определительные.
По уровню проведения различают следующие категории испытаний: государственные, межведомственные и ведомственные.
По виду этапов разработки испытуемой продукции различают предварительные и приемочные испытания.
В зависимости от вида испытаний готовой продукции их подразделяют на квалификационные, приемосдаточные периодические и типовые. Определения этих видов испытаний можно найти в ГОСТ 16504-81 "Система государственных испытаний продукции. Испытания и контроль качества продукции. Основные термины и определения".

7
Целью испытаний следует считать нахождение истинного значения параметра
(характеристики), определенного не при тех реальных условиях, в которых он фактически может находится в ходе испытаний, а в заданных номинальных условиях испытания.
Реальные условия испытаний практически всегда отличаются от номинальных, поскольку установить параметры условий испытаний абсолютно точно невозможно. Следовательно, результат испытания всегда имеет погрешность, возникающую не только из-за погрешности определения искомой характеристики, но и из-за неточного установления номинальных условий испытания.
Результат испытаний характеризуется точностью — свойством испытаний, описывающим близость их результатов к действительным значениям характеристик объекта в определенных условиях испытаний.
Между измерением и испытанием существует большое сходство: во-первых, результаты обеих операций выражаются в виде чисел; во-вторых, погрешности и в том, и другом случае могут быть выражены как разности между результатами измерений
(испытаний) и истинными значениями измеряемой величины (или определяемой характеристики при номинальных условиях эксплуатации). Однако с точки зрения метрологии между этими операциями имеется значительная разница: погрешность измерения является только одной из составляющих погрешности испытания. Поэтому можно сказать, что испытание — это более общая операция, чем измерение. Измерение можно считать частным случаем испытания, при котором условия испытаний не представляют интереса.
Пример. Рассмотрим испытания ж/б балки на прочность при действии поперечной силы. И определить деформации в конструкции.
Для того чтобы измерить эти характеристики и параметры, образец необходимо загрузить. Значения прикладываемой нагрузки и режим загружения (статика или динамика) зависит от условий реальной эксплуатации. Поэтому с целью получения возможности сравнения результатов измерений различных лабораторий стандарт предписывает:
• использовать при испытаниях образцы стандартизованной формы с заданными размерами;
• применять унифицированное оборудование;
• использовать измерительные приборы заданной точности;

8
• проводить измерения при заданных условиях окружающей среды (температура не ниже +5).
Контроль — это процесс определения соответствия значения параметра изделия установленным требованиям или нормам. Сущность всякого контроля состоит в проведении двух основных этапов. На первом из них получают информацию о фактическом состоянии некоторого объекта, о признаках и показателях его свойств. Эта информация называется первичной. На втором — первичная информация сопоставляется с заранее установленными требованиями, нормами, критериями. При этом выявляется соответствие или несоответствие фактических данных требуемым. Информация о их расхождении называется вторичной. Она используется для выработки соответствующих решений по поводу объекта контроля. В ряде случаев граница между этапами контроля неразличима.
При этом первый этап может быть выражен нечетко или практически не наблюдаться.
Характерным примером такого рода является контроль размера детали калибром, сводящийся к операции сопоставления фактического и предельно допустимого значений параметра.
Измерения и контроль тесно связаны друг с другом, близки по своей информационной сущности и содержат ряд общих операций (например, сравнение, измерительное преобразование). В то же время их процедуры во многом различаются:
• результатом измерения является количественная характеристика, а контроля — качественная;
• измерение осуществляется в широком диапазоне значений измеряемой величины, а контроль — обычно в пределах небольшого числа возможных состояний;
• контрольные приборы, в отличие от измерительных, применяются для проверки состояния изделий, параметры которых заданы и изменяются в узких пределах;
• основной характеристикой качества процедуры измерения является точность, а процедуры контроля — достоверность.
Контроль может быть классифицирован по ряду признаков.
В зависимости от числа контролируемых параметров он подразделяется на
однопараметровый, при котором состояние объекта определяется по размеру одного параметра, и многопараметровый, при котором состояние объекта определяется размерами многих параметров.

9
По форме сравниваемых сигналов контроль подразделяется на аналоговый, при котором сравнению подвергаются аналоговые сигналы, и цифровой, при котором сравниваются цифровые сигналы.
В зависимости от вида воздействия на объект контроль подразделяется на пассивный, при котором воздействие на объект не производится, и активный, при котором воздействие на объект осуществляется посредством специального генератора тестовых сигналов.
В практике большое распространение получил так называемый допусковый контроль, суть которого состоит в определении путем измерения или испытания значения контролируемого параметра объекта и сравнение полученного результата с заданными граничными допустимыми значениями. Частным случаем допускового контроля является поверка средств измерений, в процессе которой исследуется попадание погрешностей средства измерений в допускаемые пределы.
Одна из важнейших задач планирования контроля — выбор оптимальной точности измерения контролируемых параметров. При завышении допускаемых погрешностей измерения уменьшается стоимость средств измерений, но увеличиваются вероятности ошибок при контроле, что в конечном итоге приводит к потерям. При занижении допускаемых погрешностей стоимость средств измерений возрастает, вероятность ошибок контроля уменьшается, увеличивает себестоимости выпускаемой продукции. Существует некоторая оптимальная точность, соответствующая минимуму суммы потерь от брака и стоимости контроля.

10
Метрологические характеристики средств измерений и контроля
Эта характеристика одного из средств измерения влияющая на результат и его погрешность.
Рассмотрим наиболее часто встречающиеся метрологические характеристики средств измерений и контроля:
Цена деления шкалы прибора – это разность величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы. Она всегда указывается на шкале прибора.
Длина деления шкалы прибора – это фактическое расстояние между осями
(центрами) соседних отметок шкалы прибора.
Начальное и конечное значение шкалы – наименьшее и наибольшее значение измеряемой величины, которые могут быть отсчитаны по шкале данного средства измерения.
Диапазон показаний средства измерений – это область значений шкалы прибора, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы. Существуют средства измерения, начальное значение которых не равно нулю (например, микрометрический нутромер).
Измерительное усилие – это усилие, возникающее в зоне контакта измерительного наконечника прибора с измеряемой поверхностью.
Перепад измерительного усилия – разность измерительного усилия при двух положениях указателя в пределах диапазона показаний.
Чувствительность – это способность средства измерения реагировать на изменения измеряемой величины. Определяется как отношение изменения выходного сигнала средств измерения к вызывающему его изменению измеряемой величины.
Порог чувствительности средств измерения – то наименьшее значение изменения физической величины, с которого возможно начать измерение этой величины данным средством измерения.
Вариация показаний измерительного прибора – это разность показаний прибора в одной и той же точке диапазона показаний при плавном подходе к этой точке показывающего элемента (стрелки) со стороны больших и меньших значений измеряемой величины.
§4 Правовые основы метрологии
Главным законодательным актом, обеспечивающим единство измерений, является