Метрологическое обеспечение экспериментальных исследований

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Технические науки -- науки в области естествознания, изучающие явления, важные для создания и развития техники. Деятельность ученых технических наук осуществляется в рамках научно-технической деятельности и носит преимущественно прикладной характер.

Практическая направленность научно-технических исследований противопоставляет их фундаментальной науке. Между прикладными исследованиями и фундаментальной наукой существует неразрывная связь: с одной стороны, результаты фундаментальных исследований являются теоретической основой для проведения прикладных исследований, а с другой стороны, результаты научно-технической деятельности предоставляют свидетельства, которые могут подтверждать или опровергать научные теории, сформулированные учеными-теоретиками. Классическим примером взаимодействия технических и фундаментальных наук является проблема «вечного двигателя», где идея создания технических устройств класса «вечный двигатель» была опровергнута многовековыми неудачными попытками ее технической реализации, на основе чего были выведены постулаты фундаментальной науки, делающие бесперспективными дальнейшие научно-технические исследования в этой области и создание вечных двигателей.

Техническая политика -- совокупность обязательных для применения технических решений, выбранных на основании утвержденных принципов, критериев, процессов и инструментов, позволяющая обеспечить плановое изменение Технической системы (объединения производственных и технологических комплексов) компании в соответствии со стратегическими целями.

Задачи, решаемые в технических науках (а, следовательно, и комплекс знаний, используемых и вырабатываемых для решения этих задач) принципиально отличаются от проблем, стоящих перед естественной наукой. Феномен технической науки возникает как результат некоторых процессов в рамках более широкого целого, которым является деятельность по созданию технических устройств, так, как возникновение технических наук обусловлено потребностями развивающейся технической практики. Техническая наука представляет собой исторически сложившуюся форму обслуживания знаниями инженерной деятельности, характеризующуюся:

1) научными методами исследования технических проблем;

2) организацией получаемых знаний в виде научного предмета (наличие идеализированных объектов изучения и системы взаимосвязанных теорий различного уровня общности);

3) специальной социальной организацией деятельности по выработке этих знаний (каналы научно-технической коммуникации, сеть научно-исследовательских учреждений, система подготовки кадров).

Эти характеристики технических наук сопоставимы с характеристиками естественных наук, что, собственно, и позволяет говорить о них как о науках. Специфика же технических наук обусловлена их "обслуживающей" функцией; обеспечение этой функции включает приложение и детализацию знаний естественных наук, однако не сводится к этому и предполагает формирование специального предмета исследования. Те идеализации, которые необходимы для теоретического описания объектов, совершенно различны, например, для электротехники и физики электрических явлений.

Самостоятельный статус технических наук в логико-гносеологическом аспекте определяется наличием специфического объекта исследования - предметных структур технической практики и предмета исследования - взаимосвязь физических (процессных), функциональных (технических) и конструктивных (морфологических) параметров технических устройств.

Каков же в общем виде ход эволюции технических знаний, приведший к формированию технических наук? В формировании технических наук можно выделить 3 этапа: этап донаучного развития технических знаний (до второй половины ХУ11 в.); этап становления и развития технических наук "классического" типа (ХУ111-начало ХХ в.); этап формирования комплексных научно-технических дисциплин (с первой трети ХХ в.).

Способы видения и описания технических объектов (устройств и процессов) определяются уровнем развития техники, задачами инженерной проектировочной деятельности, уровнем развития инженерного мышления. На донаучном этапе развития технических знаний основным было конструктивно-функциональное описание технических объектов. Принцип их действия вытекал из их структуры, характера взаимодействия элементов, их морфологических свойств (отдельные машины, включаемые в некоторых дискретных точках технологических процессов - в строительстве, мельницы, подъемники в шахтах и т.п.). Идея технического описания в этот период - описать конструкцию как совокупность морфологических элементов и их конструктивных связей; функционирование ясно из их конструкции.

1.Метрологическое обеспечение измерений

Достижение высокого качества продукции и обеспечение точности и взаимозаменяемости деталей или сборочных единиц невозможно без метрологического обеспечения производства.

Метрологическое обеспечение (МО) - установление и применение научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерения.

Юридическую основу МО составляет закон Российской Федерации "Об обеспечении единства измерений", а также нормативные документы Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии (Федерального агентства), как организации, на которые правительством возложено проведение единой государственной технической политики в области метрологии.

Научно-технической основой МО являются системы государственных эталонов единых физических величин; передачи размеров единиц физических величин от эталонов к рабочим средствам измерений; государственных испытаний средств измерений, их поверки и калибровки; обязательной государственной поверки или метрологической аттестации средств измерений, эксплуатации и ремонта; стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов, обеспечивающих воспроизведение единиц величин, характеризующих состав и свойства веществ и др.

Организационные основы МО составляют государственные и ведомственные метрологические службы (в том числе на фирмах и предприятиях различных форм собственности).

В состав государственной метрологической службы, осуществляющей свою деятельность под руководством Федерального агентства, входят:

- государственные научные метрологические институты, осуществляющие создание, совершенствование и хранение государственных эталонов, а также проводящие исследовательские работы по научным основам метрологии;

- Государственная служба стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов (ГССА), отвечающая за создание и внедрение стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов с целью обеспечения единства измерений;

- Государственная служба стандартных справочных данных о специфических константах и свойствах веществ и материалов (ГСССД), осуществляющая информационное обеспечение организаций;

- Государственная служба времени и частоты и определения параметров вращения Земли (ГСВЧ), сеть организаций, несущих ответственность за воспроизведение и хранение единиц времени и частоты и передачу их размеров, а также за обеспечение потребности народного хозяйства соответствующей информацией.

Территориальные органы Федерального агентства расположены в республиках Российской Федерации, краях, областях, в Москве и Санкт-Петербурге. Основное направление их деятельности --обеспечение единства измерений в стране, включая хранение вторичных эталонов, государственный надзор за МО производства и применяемых на нем средств измерений и т.д., аккредитация метрологических поверок на производстве и т.д.

В соответствии с действующим в настоящее время положением, все средства измерений, предназначенные для серийного производства, ввоза из-за границы партиями и выпуска в обращение в России, подлежат обязательным государственным испытаниям в органах Государственной метрологической службы.

Цель испытаний - обеспечить высокий технический уровень отечественного приборостроения и соответствие характеристик средств измерений современным требованиям мирового рынка, установление оптимальной номенклатуры средств измерений, обеспечивающих потребности страны и развитие ее метрологической базы, высокую степень унификации и стандартизации средств измерений, а также развитие специализации и кооперирования при их производстве. Кроме того, государственные контрольные испытания способствуют своевременной подготовке метеорологической службы страны к обслуживанию средств измерений при выпуске их из производства и в эксплуатации.

В процессе государственных контрольных (приемочных) испытаний определяют:

- соответствие средств измерений требованиям стандартов;

- соответствие технических характеристик средств измерения требованиям технического задания;

- возможность метрологического обслуживания и обеспечения нормированных значений метрологических характеристик испытуемых приборов при их серийном производстве и в эксплуатации;

- метрологические характеристики, подлежащие контролю при выпуске средств измерений из производства и в эксплуатации, а также рекомендуемая периодичность контроля.

Государственные контрольные испытания проводятся также с целью проверки соответствия выпускаемых из производства или ввозимых из-за границы средств измерения, утвержденному Федеральным агентством типу, требованиям стандартов и технических условий.

Для обеспечения единства и достоверности измерений в стране, систематического совершенствования парка средств измерений, применяемых во всех отраслях народного хозяйства, внедрением новой измерительной техники; поддержания средств измерений и постоянной готовности к выполнению измерений, в Российской Федерации действует система метрологического надзора за средствами измерений.

К эксплуатации допускаются средства измерений, признанные по результатам метрологического надзора пригодными к применению.

За надлежащее состояние и исправность средств измерений, правильность проводимых измерений, организацию и качество ведомственного надзора ответственность несут руководители предприятий, организаций и учреждений.

Метрологический надзор осуществляется проведением поверки средств измерений, метрологической ревизии и метрологической экспертизы.

Поверка средств измерений проводится для установления их пригодности к применению. Пригодными к применению признаются средства измерений, поверка которых, выполненная в соответствии с нормативными документами, подтверждает их соответствие требованиям этих документов.

Поверка подразделяется на первичную, периодическую, внеочередную и инспекциональную. Первичной называется первая поверка средств измерений, производимая при выпуске его из производства или ремонта. Периодической называется поверка средств измерений, производимая при их эксплуатации и хранении через определенные промежутки времени.

Внеочередная поверка производится при эксплуатации (хранении) средств измерений вне зависимости от сроков периодической поверки.

Инспекциональная поверка проводится для выявления исправности средств измерений, выпускаемых из производства или ремонта и находящихся в обращении, при проведении метрологической ревизии на предприятиях, складах, базах снабжения и в торговых организациях.

Государственной или ведомственной поверке подлежат все средства измерений.

Средства измерений, не прошедшие поверки, неисправные, и в том числе имеющие внешние повреждения или своевременно не поверенные, к эксплуатации не допускаются.

С целью МО производства на предприятиях различных форм собственности создаются метрологические службы или службы главного метролога, которые должны быть аккредитованы органами Федерального агентства.

В понятие МО производства входят научные и организационные основы, технические средства, правила и нормы, обеспечивающие полноту, точность и достоверность контроля качества продукции на всех этапах ее производства, необходимых для управления современным производством и обеспечения стабильного уровня, качества продукции.

Метрологическое обеспечение охватывает все стадии жизненного цикла изделия, начиная с этапа научно-исследовательских и опытно-конструкционных работ. На этом этапе устанавливаются, а затем закладываются в конструкторской и технологической документации параметры точности, обеспечивающие высокие эксплуатационные характеристики изделия и их допуски; производится выбор и обоснование необходимых средств измерения и контроля. При этом устанавливаются:

- необходимая номенклатура контролируемых параметров комплектующих изделий, сырья, материалов, подлежащих входному контролю;

- возможность контроля этих параметров, а также наличие на предприятии необходимых средств и методов измерений и, при необходимости, приобретение соответствующей измерительной техники;

- наличие необходимой нормативно-технической документации и подготовленного обслуживающего персонала.

В случае необходимости конструктор или технолог могут выдать техническое задание за разработку новых средств контроля, измерений или испытаний параметров продукции или ее элементов.

Метрологические службы на предприятиях и в организациях в процессе производства проводят метрологический контроль и надзор за средствами измерений путем:

- калибровки средств измерений;

- надзора за состоянием и применением средств измерений, с соблюдением метрологических правил и норм, а также нормативных документов по обеспечению единств измерений;

- поверки своевременности предоставления средств измерений на поверку и калибровку;

- выдачи обязательных предписаний, направленных на предотвращение, прекращение или устранение нарушений метрологических норм и правил;

- проведения метрологической экспертизы конструкторской и технологической документации и др.

В рамках МО производства проводится метрологическая  экспертиза конструкторской и технологической документации, целью которой является анализ и оценка технических решений по выбору параметров, подлежащих измерению, установлению норм точности и обеспечению методами и средствами измерений процессов разработки, изготовления, эксплуатации и ремонту изделий. Значение метрологического обеспечения производства для достижения высокого качества продукции определено рядом международных документов, в том числе стандартом ИСО 10002-1. Соблюдение этого стандарта является одним из условий аккредитации системы качества на предприятии.

2.Метрологическое обеспечение экспериментальных исследований, суть измерений. Метрология - как наука об измерениях

Метрологическое обеспечение единства измерений - деятельность метрологических и других служб, направленная: на создание в стране необходимых эталонов, образцовых и рабочих средств измерений; на их правильный выбор и применение; на разработку и применение метрологических правил и норм; на выполнение других метрологических работ, необходимых для обеспечения требуемого качества измерений на рабочем месте, предприятии, в отрасли и национальной экономике.

Метрологическое обеспечение направлено на обеспечение единства и точности измерений для достижения установленных техническими условиями характеристик функционирования технических устройств. Метрологическое обеспечение представляет собой комплекс научно-технических и организационно-технических мероприятий, осуществляемых через соответствующую деятельность учреждений и специалистов. Метрологическое обеспечение измерений включает: теорию и методы измерений, контроля, обеспечения точности и единства измерений; организационно-технические вопросы обеспечения единства измерений, включая нормативно-технические документы - государственные стандарты, методические указания, технические требования и условия, регламентирующие порядок и правила выполнения работ.

Практическая деятельность организаций по метрологическому обеспечению охватывает достаточно большой круг вопросов. Осуществляется надзор за применением законодательно установленной системы единиц физических величин. Обеспечение единства и точности измерений проводится путем передачи размеров единиц физических величин от эталонов к образцовым средствам измерений и от образцовых к рабочим. Проводится надзор за функционированием государственных и ведомственных поверочных схем. Постоянно разрабатываются методы измерений дающие наивысшую точность. На этой основе создаются эталоны и образцовые средства измерений.

Метроломгия -- наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Предметом метрологии является извлечение количественной информации о свойствах объектов с заданной точностью и достоверностью; нормативная база для этого -- метрологические стандарты.

Метрология состоит из 3 основных разделов:

Теоретическая

Рассматривает общие теоретические проблемы (разработка теории и проблем измерений физических величин, их единиц, методов измерений).

Прикладная

Изучает вопросы практического применения разработок теоретической метрологии. В её ведении находятся все вопросы метрологического обеспечения.

Законодательная.

Устанавливает обязательные технические и юридические требования по применению единиц физической величины, методов и средств измерений.

Цели и задачи метрологии:

- создание общей теории измерений;

- образование единиц физических величин и систем единиц;

- разработка и стандартизация методов и средств измерений, методов определения точности измерений, основ обеспечения единства измерений и единообразия средств измерений (так называемая «законодательная метрология»);

- создание эталонов и образцовых средств измерений, поверка мер и средств измерений. Приоритетной подзадачей данного направления является выработка системы эталонов на основе физических констант.

Аксиомы метрологии:

1.Любое измерение есть сравнение.

2.Любое измерение без априорной информации невозможно.

3.Результат любого измерения без округления значения является случайной величиной.

3.Испытание имитационной модели: задание исходной информации, верификация модели, проверка адекватности и калибровка модели

Испытание и исследование свойств имитационной модели. После реализации имитационной модели на ЭВМ, необходимо провести испытания для оценки достоверности модели. На этапе испытания и исследования разработанной имитационной модели организуется комплексное тестирование модели (testing) - планируемый итеративный процесс, направленный на поддержку процедур верификации и валидации имитационных моделей и данных.

Если в результате проведенных процедур модель окажется недостаточно достоверной, то может быть выполнена калибровка имитационной модели (в моделирующий алгоритм встраиваются калибровочные коэффициенты) с целью обеспечения адекватности модели. В более сложных случаях возможны многочисленные итерации на ранние этапы с целью получения дополнительной информации о моделируемом объекте или доработки имитационной модели. Наличие ошибок во взаимодействии компонентов модели возвращает исследователя на этап создания имитационной модели. Причиной этого может быть изначально упрощенная модель процесса или явления, что приводит к неадекватности модели объекту. В случае, если выбор способа формализации оказался неудачным, то необходимо повторить этап составления концептуальной модели с учетом новой информации и приобретенного опыта. Наконец, когда оказалось недостаточно информации об объекте, необходимо вернуться к этапу составления содержательного описания системы и уточнить его с учетом результатов испытания.

Направленный вычислительный эксперимент на имитационной модели. Анализ результатов моделирования и принятие решений. На заключительных этапах имитационного моделирования необходимо проводить стратегическое и тактическое планирование имитационного эксперимента. Организация направленного вычислительного эксперимента на имитационной модели предполагает выбор и применение различных аналитических методов для обработки результатов имитационного исследования. Для этого применяются методы планирования вычислительного эксперимента, регрессионный и дисперсионный анализ, методы оптимизации. Организация и проведение эксперимента требует корректного применения аналитических методов. По полученным результатам проведенное исследование должно позволить сделать выводы, достаточные для принятия решений по обозначенным на ранних этапах проблемам и задачам.

Верификация модели - проверка правильности динамики развития алгоритма моделирования объекта исследования в ходе имитации его функционирования.

Адекватность программной имитационной модели реальному объекту - это совпадение с заданной точностью векторов характеристик поведения объекта и модели.

Калибровка модели - при отсутствии адекватности «подправляют» характеристики алгоритмов компонент модели.

4.Понятия экспериментальных исследований

Все средства измерения, используемые в экспериментах, должны быть метрологически аттестованы и проверены.

Результаты измерений должны представляться в системе СИ.

По методу проведения измерения делятся:

1. прямые измерения: искомую величину определяют непосредственно из опыта;

2. косвенные измерения: искомую величину устанавливают функционально от других величин, определенных прямыми измерениями.

Абсолютное измерение- прямое измерение в единицах измеряемой величины.

Относительное измерение - отношение измеряемой величины к одноименной величине, играющей роль единицы измерения (результаты выражаются в %).

Совокупные измерения: одновременно измеряются несколько одноименных величин, а искомую величину находят из решения системы уравнений.

Совместные измерения - одновременно измеряются несколько не одноимённых величин для нахождения зависимости между ними. Например, вольт-амперная характеристика, амплитудно-частотная характеристика.

Метод непосредственной оценки- определение значения величины непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия(например, измерение массы на циферблатных весах).

Метод сравнения с мерой- измеряемую величину уравновешивают с мерой (весы с гирями).

Метод противопоставления - осуществляется сравнение с мерой.

Дифференциальный метод: на измерительный прибор воздействует разность измеряемой и известной величины, воспроизводимой мерой.

Нулевой метод: результирующий эффект воздействия величины на прибор доводят до нуля средствами измерительного прибора (например, измерение электрического сопротивления мостом с полным его уравновешиванием). Метод замещения: измеренную величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой.

Метод совпадений: разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряется с использованием совпадения отметок шкал или периодических сигналов.

Балансный метод- достигается баланс за счет некоторого эталонного устройства.

5.Характеристики средств измерений

Средство измерения - совокупность технических средств, имеющих нормированные погрешности, которые дают необходимую информацию для экспериментатора.

Основные характеристики приборов:

1. Величина погрешности.

Погрешности бывают:

· абсолютные - разность между измеренным и действительным значениями:

, (3)

где - показания прибора;- действительное значение измеренной величины.

· относительные- разность между измеренным и действительным значениями, отнесенная к действительному значению и умноженная на 100%:

(4)

Погрешности возникают вследствие недоброкачественных материалов, комплектующих изделий, применяемых для изготовления приборов, плохого качества изготовления приборов, неудовлетворительной эксплуатации.

2. Диапазон измерений- пределы измерения прибором измеряемой величины. Если шкала измерений изменяется от 0 до N, то в характеристике на прибор диапазон указывают в пределах 0…N.

3. Порог чувствительности- показывает, на сколько должна измениться измеряемая величина, чтобы прибор зафиксировал это изменением своих показаний на 1 единицу.

4. Класс точности- обобщенная характеристика, определяемая пределами основной и дополнительных допускаемых погрешностей, влияющих на точность (чем выше класс, тем точнее прибор).

5. Стабильность показаний - постоянство показаний измеряемой величины при различных внешних воздействиях.

Список литературы

метрологический технический инструмент

1. Иванов Б. И., Чешев В. В. Становление и развитие технических наук. Л., 2004;

2. Крутов В. И. Основы научных исследований: учеб.для техн. вузов/ В. И. Крутов, И. М. Грушко и др.; Под ред. В. И. Крутова, В. В. Попова. - М.: Высш. шк., 1\2007. - 400 с;

3. Цаплин, А.И. Основы научных исследований в технологии машиностроения : учеб.пособие / А.И. Цаплин. - Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2014. - 228 с.

Размещено на Allbest.ru