Метрология, стандартизация и сертификация

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Основные понятия в области метрологии

2. Физические величины и их единицы

2.1 Физические величины

2.2 Системы единиц физических величин

2.3 Международная система единиц физических величин

3. Измерения и средства измерений

3.1 Классификация измерений

3.2 Основные характеристики измерений

3.3 Методы измерений

3.4 Средства измерений

3.5 Метрологические свойства и метрологические характеристики средств измерений

3.6 Методика выполнения измерений

4. Эталоны физических величин и система воспроизведения единиц физических величин

4.1 Государственная система обеспечения единства измерений

5. Государственный метрологический контроль и надзор

5.1 Метрологические службы России

5.2 Международные метрологические организации

6. Значащие цифры и правила округления

7. Литература

Введение

метрология физическая величина

Развитие любой науки требует проведения огромного количества различных исследований и экспериментов. В связи с этим растет число проводимых измерений, ужесточаются требования, предъявляемые к точности измерений.

Без точных измерений невозможно обеспечить высокое качество продукции и эффективное производство. Для контроля качества исходных материалов и сырья, готовой продукции требуется сложная измерительная техника, все более точные и совершенные методы анализа.

Аналогичные задачи обеспечения и контроля качества результатов возникают при исследовании объектов окружающей среды, биологического и медицинского происхождения, в ходе научных исследований и т. д.

Для решения метрологических проблем создаются новые системы контроля качества измерений физических величин, современная методология постановки, проведения и получения результатов измерительных экспериментов, в том числе и в химии.

Таким образом, метрологические задачи приходится решать во всех областях химии и профессиональный уровень химиков все больше зависит от знаний метрологии.

1. Основные понятия в области метрологии

Метрология- наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Метрологию подразделяют на теоретическую, прикладную и законодательную.

Теоретическая метрология занимается вопросами фундаментальных исследований, созданием системы единиц измерений, физических постоянных, разработкой новых методов измерения. Прикладная (практическая) метрология занимается вопросами практического применения в различных сферах деятельности результатов теоретических исследований в рамках метрологии. Законодательная метрология включает совокупность взаимообусловленных правил и норм, направленных на обеспечение единства измерений, которые возводятся в ранг правовых положений (уполномоченными на то органами государственной власти), имеют обязательную силу и находятся под контролем государства.

Измерение- совокупность операций, выполняемых с помощью технического средства, хранящего единицу величины, позволяющего сопоставить измеряемую величину с ее единицей и получить значение величины. Это значение называют результатом измерений. Например, прикладывая линейку с делениями к какой-либо детали, сравнивают ее с единицей, хранимой линейкой, и, произведя отсчет, получают значение величины (длины, высоты и других параметров детали).

Погрешность измерений - отклонение результата измерений от истинного (действительного) значения измеряемой величины.

Средство измерений - техническое устройство, предназначенное для измерений (Закон РФ от 27. 04. 93 № 4871-1 «Об обеспечении единства измерений»; далее - Закон РФ).

Эталон единицы величины - средство измерения, предназначенное для воспроизведения и хранения единицы величины с целью передачи ее средствам измерений данной величины (Закон РФ).

Единство измерений - состояний измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах величин, а погрешности измерений не выходят за установленные границы с заданной вероятностью (Закон РФ).

Итак, первым условием обеспечения единства измерений является представление результатов измерений в узаконенных единицах, которые были бы одними и теми же всюду, где проводятся измерения и используются их результаты. В России, как и в большинстве других стран, узаконенными единицами являются единицы величин Международной системы единиц. Второе условие единства измерений - погрешность измерений не превышает (с заданной вероятностью) установленных пределов. Погрешности измерений средства измерений указываются в придаваемом к нему техническом документе - паспорте, ТУ и пр.

Законодательный принцип управления деятельностью по обеспечению единства измерений определен статьей 71 Конституции Российской Федерации.

Главным нормативным актом по обеспечению единства измерений является Закон РФ от 27. 04. 93 № 4871-1 «Об обеспечении единства измерений». Он направлен на защиту прав и законных интересов граждан, экономики страны от отрицательных последствий недостоверных результатов измерений.

В Российской Федерации действует государственная система стандартов в области измерений (ГСИ). Основными документами Государственной системы измерений являются:

основополагающие стандарты

стандарты на термины и определения;

стандарты на государственные поверочные схемы;

стандарты на методики поверки СИ;

стандарты на методики выполнения измерений;

правила по метрологии (по испытаниям, поверке, калибровке, сертификации, аккредитации) ;

руководящие документы (РД) ;

рекомендации (Ми).

Устанавливают:

Терминологию в области метрологии;

системы единиц величин;

общие требования к воспроизведению и передаче размеров единиц величин;

государственные поверочные схемы;

методики поверки (калибровки) СИ;

методики выполнения измерений;

общие методы и формы получения и представления результатов и погрешностей измерений;

общие требования к методикам выполнения измерений, порядку их разработки и метрологической аттестации;

комплексы нормируемых метрологических характеристик СИ;

правила проведения испытаний и утверждения типа СИ, порядок их сертификации;

правила проведения поверки и калибровки СИ;

правила осуществления метрологического контроля и надзора;

порядок лицензирования деятельности юридических и физических лиц по изготовлению, ремонту, продаже и прокату СИ;

типовые задачи, права и обязанности метрологических служб;

порядок аккредитации метрологических служб по различным направлениям деятельности;

порядок аккредитации измерительных и испытательных лабораторий на техническую компетентность.

Метрологическая служба - совокупность субъектов деятельности и видов работ, направленных на обеспечение единства измерений (Закон РФ).

По существу метрологическая служба - это сеть организаций, отдельных организаций или отдельных подразделений, на которые возложена ответственность за обеспечение единства измерений. Различают понятия «государственная метрологическая служба», «метрологические службы государственных органов управления РФ» и «метрологические службы юридических лиц».

Поверка средства измерений - совокупность операций, выполняемых органами государственной метрологической службы (другими уполномоченными на то органами, организациями) с целью определения и подтверждения соответствия средств измерений установленным техническим требованиям (Закон РФ).

2. Физические величины и их единицы

2.1 Физические величины

Основным объектом измерения в метрологии являются физические величины.

Физическая величина - одно из свойств физического объекта (явления, процесса), общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них.

Физическая величина (краткая форма термина - «величина») применяется для описания материальных систем и объектов (явлений, процессов и т. п.), изучаемых в любых науках (физике, химии и др.). Как известно, существуют основные и производные величины. В качестве основных выбирают величины, которые характеризуют фундаментальные свойства материального мира. Механика базируется на трех основных величинах, теплотехника - на четырех, физика - на семи. ГОСТ 8. 417 устанавливает семь основных физических величин - длина, масса, время, термодинамическая температура, количество вещества, сила света, сила электрического тока, с помощью которых создается все разнообразие производных физических величин и обеспечивается описание любых свойств физических объектов и явлений.

Измеряемые величины имеют качественную и количественную характеристики. Формализованным отражением качественного различия измеряемых величин является их размерность. Согласно международному стандарту ИСО размерность обозначается символом dim, от латинского dimensim (размерность). Размерность основных физических величин - длины, массы и времени - обозначается соответствующими заглавными буквами: dim l - L; dim m - M; dim t - T.

Размерность производной физической величины выражается через размерность основных физических величин с помощью степенного одночлена:

dim X = L. M в. Tг (1)

где L, M, T - размерности соответствующих основных физических величин; а , в, г - показатели размерности (показатели степени, в которую возведены размерности основных физических величин).

Каждый показатель размерности может быть положительным или отрицательным, целым или дробным, нулем. Если все показатели размерности равны нулю, то величина называется безразмерной. Она может быть относительной, определяемой как отношение одноименных величин (например, относительная диэлектрическая проницаемость), и логарифмической, определяемой как логарифм относительной величины (например, логарифм отношения мощностей или напряжений).

Количественной характеристикой измеряемой величины служит ее размер. Получение информации о размере физической или нефизической величины является содержанием любого измерения.

Значение физической величины получают в результате ее измерения или вычисления в соответствии с основным уравнением измерения:

Q = X [Q], (2)

где Q - значение физической величины; X - числовое значение измеряемой величины в принятой единице; [Q] - выбранная для измерения единица.

Допустим, измеряется длина отрезка прямой в 10 см с помощью линейки, имеющей деления в сантиметрах и миллиметрах. Для данного случая Q1 = 10 см при X1 = 10 и [Q1] = 1 см; Q2 = 100 мм при X2 = 100 и [Q2] = 1 мм; Q1 = Q2, так как 10см = 100 мм. Применение различных единиц (1 см и 1 мм) привело к изменению числового значения результата измерений.

2.2 Системы единиц физических величин

Совокупность основных и производных единиц, относящихся к некоторой системе величин и построенная в соответствии с принятыми принципами, образует систему единиц.

Исторически первой системой единиц физических величин была принята в 1791 г. Национальным собранием Франции метрическая система мер. Она не являлась еще системой единиц в современном понимании, а включала в себя единицы длин, площадей, объемов, вместимостей и веса, в основу которых были положены две единицы: метр и килограмм.

В 1832 г. немецкий математик К. Гаусс предложил методику построения системы единиц как совокупности основных и производных. Он построил систему единиц, в которой за основу были приняты три не зависимые друг от друга единицы - длины, массы и времени. Все остальные единицы можно было определить с помощью этих трех. Такую систему единиц, связанных определенным образом с тремя основными единицами длины, массы и времени, Гаусс назвал абсолютной системой. За основные единицы он принял миллиметр, миллиграмм и секунду.

В дальнейшем с развитием науки и техники появился ряд систем единиц физических величин, построенных по принципу, предложенному Гауссом, базирующихся на метрической системе мер, но отличающихся друг от друга основными единицами.

Система единиц физических величин СГС, в которой основными единицами являются сантиметр как единица длины, грамм как единица массы и секунда как единица времени, была установлена в1881 г. первым Международным конгрессом электриков. Система СГС (симметричная) отличается стройностью и логичностью построения, она когерентна (согласованна) и широко применяется в физике для выражения измеряемых физических величин и расчетов. Система была допущена к применению в СССР государственным стандартом на электрические и магнитные единицы в 1956 году. До настоящего времени значительное число физических констант выражалось в единицах СГС.

2.3 Международная система единиц физических величин

В 50 - 60-е годы XX в. все чаще проявлялось стремление многих стран к созданию единой универсальной системы единиц, которая могла бы стать международной. В числе общих требований к основным и производным единицам выдвигалось требование когерентности такой системы единиц. Такой системой стала Международная система единиц.

В 1954 г. X Генеральная конференция по мерам и весам установила шесть основных единиц для международных сношений: метр, килограмм, секунда, ампер, градус Кельвина, свеча.

В 1960 г. XI Генеральная конференция по мерам и весам утвердила Международную систему единиц, обозначаемую сокращенно SI (начальные буквы французского наименования System International d'Unites), в русской транскрипции - СИ.

В результате некоторых видоизменений, принятых Генеральными конференциями по мерам и весам в 1967, 1971, 1979 годах система включает семь основных единиц (см. таблицу 1).

Таблица 1

Основные единицы СИ

Наименование	Единица измерений	Обозначение	Размерность
		международное	Русское
Длина	Метр	m	м	L
Масса	Килограмм	kg	кг	М
Время	Секунда	S	с	Т
Сила электричес-кого тока	Ампер	А	А	I
Термодинамическая температура	Кельвин	К	К	И
Количество вещества	Моль	mol	моль	N
Сила тока	Кандела	kd	кд	J

Универсальность СИ обеспечивается тем, что 7 основных единиц, положенных в ее основу, являются единицами физических величин, отражающих основные свойства материального мира, и дают возможность образовывать производные единицы для любых физических величин во всех отраслях науки и техники. Этой же цели служат и дополнительные единицы, необходимые для образования производных единиц, зависящих от плоского и телесного углов.

Преимущества СИ перед другими системами единиц следующие:

СИ является универсальной, охватывая все области науки, техники, производства.

Построенная таким образом система единиц и входящие в нее единицы называются когерентными (связанными, согласованными). Коэффициенты пропорциональности в физических уравнениях, определяющих единицы производных величин, равны безразмерной единице.

В СИ устранена множественность единиц (унификация единиц для всех видов измерений) для выражения величин одного и того же ряда.

Установление для каждой физической величины своей единицы позволило разграничить понятие массы (кг) и веса (Н). Понятие массы следует использовать во всех случаях, когда имеется в виду свойство тела или вещества, характеризующие его инертность и способность создавать гравитационные поля, понятие веса следует использовать в случаях, когда имеется в виду сила, возникающая в следствие с гравитационным полем.

Международная система единиц благодаря своим преимуществам получила широкое распространение в мире. Так, все страны Европейского Союза перешли на единицы СИ. Страны, где ранее традиционно применялась английская система мер (Великобритания, Австралия, Канада, США и др.) так же внедряют единицы СИ.

3. Измерения и средства измерений

3.1 Классификация измерений

Измерение является важнейшим понятием в метрологии. Под измерением понимают установление значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.

Во всех случаях проведения измерений независимо от измеряемой величины, метода и средства измерений есть общее, что составляет основу измерений - это сравнение опытным путем данной величины с другой, подобной ей, принятой за единицу. При всяком измерении мы, с помощью эксперимента, оцениваем физическую величину в виде некоторого числа, принятых для нее за единицу величин, т. е. находим ее значение.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Схема получения количественной оценки (измерения) свойства объекта.

Существует несколько видов измерений. При их классификации исходят из: характера зависимости измеряемой величины от времени; способа получения результатов; условий, определяющих точность результата измерений, способов получения информации, по признаку измеряемой величины (см. таблицу 3).

Таблица 3

Классификация измерений

Методы измерений	Виды измерений
1. По способу получения информации	Прямые Косвенные Совокупные Совместные
2. По характеру изменения измеряемой величины в процессе измерений	2. 1 Статические 2. 2 Динамические 2. 3 Статистические
3. По количеству измерительной информации	3. 1 Однократные 3. 2 Многократные
4. По способу выражения результатов измерений	4. 1 Абсолютные 4. 2 Относительные
5. По условиям, определяющим точность результата	5. 1 Эталонные 5. 2 Контрольно-поверочные 5. 3 Технические

По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения разделяются на: статические (измеряемая величина остается постоянной во времени, например, измерения размеров объектов, постоянной температуры, давления и т. д.) и динамические (измеряемая величина постоянно изменяется во времени, например, пульсирующие давления, вибрация и т. д.).

По способу получения результатов измерения разделяют на прямые и косвенные. Прямым называется измерение, при котором искомое значение физической величины получают непосредственно из опытных данных. Прямые измерения можно выразить формулой Q = X, где Q - искомое значение физической величины, а X - значение, непосредственно получаемое из опытных данных. Например, измерения размеров тел линейкой, массы - при помощи весов, измерение давления и температуры при контроле технологических процессов.

Косвенным называют измерение, при котором искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. При косвенных измерениях измеряют не собственно определяемую величину, а другие величины, функционально с нею связанные. Значение измеряемой величины находят путем вычисления по формуле:

Q = f (Xb…Xn), (3)

где Q - искомое значение величины; (Xb…Xn) - значения величин, определяемых прямым измерением; f - знак функциональной зависимости, форма которой и природа связанных ею величин заранее известны.

Примерами косвенных измерений могут служить: измерение содержания элементов в образцах методами химического, фотометрического и других анализов.

По условиям, определяющим точность результата, измерения делятся на три класса:

1 - измерения максимально возможной точности, достижимой при существующем уровне техники. Это - эталонные измерения, связанные с максимально возможной точностью воспроизведения единиц физических величин; измерения физических констант, прежде всего универсальных, например, абсолютного значения ускорения свободного падения;

2 - контрольно-поверочные измерения, погрешность которых не должна превышать заданного значения. Сюда относятся измерения, выполняемые государственными метрологическими центрами, поверочными и калибровочными лабораториями предприятий;

3 - технические измерения, в которых погрешность результата определяется характеристиками средств и методик измерений. Это - измерения, выполняемые в процессе производства на предприятиях различных отраслей промышленности.

По способу выражения результатов измерений различают: абсолютные, которые основаны на прямых измерениях одной или нескольких основных величин или на использовании физических констант. Например, определение длины в метрах, силы электрического тока в амперах, ускорения свободного падения в метрах на секунду в квадрате; относительные - это измерения отношения величины к одноименной, играющей роль единицы, или величины по отношению к одноименной, принимаемой за исходную. Например, измерение относительной влажности воздуха, определяемой как отношение количества водяных паров в одном кубическом метре воздуха к количеству водяных паров, которое насыщает один кубический метр воздуха при данной температуре.

3.2 Основные характеристики измерений

Погрешность - отклонение результатов измерения от истинного значения измеряемой величины. Погрешность возникает из-за несовершенства процесса измерений.

Конкретные причины и характер проявления погрешностей весьма разнообразны. Соответственно их классифицируют по многим критериям.

По способу выражения - абсолютные и относительные погрешности.

Абсолютная погрешность измерения - погрешность измерения, выраженная в единицах измеряемой величины. Относительная погрешность измерения - отношение абсолютной погрешности измерения к истинному значению измеряемой величины.

По характеру проявления - систематические и случайные погрешности.

Систематическая погрешность измерения - составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же физической величины. В зависимости от характера изменения систематические погрешности подразделяют на постоянные, пропорциональные и погрешности, изменяющиеся по сложному закону.

Постоянные погрешности длительное время сохраняют свое значение, в частности, в течение всего периода выполнения измерений. Они встречаются наиболее часто. Хорошим примером такого вида систематической погрешности является постоянное, отличное от нуля значение холостого опыта.

Пропорциональные погрешности изменяются пропорционально значению измеряемой величины.

В зависимости от причин возникновения систематические погрешности подразделяют на инструментальные, погрешности метода измерений, субъективные, погрешности вследствие несоблюдения установленных условий измерений.

Инструментальные (аппаратурные) погрешности измерений обусловлены погрешностями применяемого средства измерения. Они возникают из-за износа деталей и прибора в целом, излишнего трения в механизме прибора, неточного нанесения штрихов при калибровке.

Погрешности метода измерений (теоретические) обусловлены несовершенством принятого метода измерений. Они являются следствием упрощенных представлений о явлениях и эффектах, лежащих в основе измерений.

Случайная погрешность измерения - составляющая погрешности измерения, изменяющаяся случайным образом (по знаку и значению) при повторных измерениях одной и той же величины. Случайные погрешности неизбежны и неустранимы и всегда присутствуют в результатах измерений. Они вызывают рассеяние числовых значений измеряемой величины (различие их в последних значащих цифрах) при многократном и достаточно точном ее измерении при неизменных условиях.

Кроме того, выделяют грубую погрешность измерения - погрешность, существенно превышающую ожидаемую при данных условиях проведения измерений.

Погрешность и неопределенность результата измерения

Погрешность ДX = X изм. - X истин.

Истинное значение неизвестно, это порождает неопределенность результата измерения.

Х действ. часто находят, как среднее арифметическое значение результатов нескольких измерений

Абсолютная погрешность СИ ДХ = Х изм. - Х действ.

Относительная погрешность СИ д = ДХ / Х действ.

Приведенная погрешность СИ г= ДХ / Х верх. предела

Основная погрешность СИ - погрешность в нормальных условиях

Дополнительная погрешность СИ - изменение погрешности из-за отклонения влияющей величины

Систематическая погрешность - составляющая погрешности СИ, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся

Случайная погрешность - составляющая погрешности СИ, изменяющаяся случайным образом

Неопределенность измерений - параметр*, связанный с результатом измерений и характеризующий рассеяние значений, которые можно приписать измеряемой величине. (РМГ 29 - 99).

*Параметром может быть СКО или половина интервала, имеющего указанный доверительный уровень

Основными характеристиками измерений являются: принцип, метод, погрешность измерений, точность, сходимость и воспроизводимость результатов измерений.

Дадим определения этим характеристикам.

Принцип измерений - физическое явление или эффект, положенное в основу измерений. Например, измерение температуры с использованием термоэлектрического эффекта.

Метод измерений - прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. Например, определение элементного состава пробы методом атомно-эмиссионного анализа с индуктивно-связанной плазмой.

Методика выполнения измерений - установленная совокупность операций и правил при измерении, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с гарантированной точностью в соответствии с принятым методом. Обычно методика выполнения измерений регламентируется нормативным или техническим документом.

Погрешность результата измерения - отклонение результата измерения от истинного (действительного) значения измеряемой величины.

Сходимость результатов измерений - близость друг к другу результатов измерений одной и той же величины, выполненных повторно одними и теми же средствами, одним и тем же методом в одинаковых условиях и с одинаковой тщательностью.

Воспроизводимость результатов измерений - близость друг к другу результатов измерений одной и той же величины, полученных в разных местах, разными методами, разными средствами, разными операторами, в разное время, но приведенных к одним и тем же условиям измерений (температуре, давлению, влажности и др.).

Точность результата измерений - одна из характеристик качества измерения, отражающая близость к нулю погрешности результата измерения.

3.3 Методы измерений

Метод измерений - прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений.

Методы измерений классифицируют по нескольким признакам.

По общим приемам получения результатов измерений различают: 1) прямой метод измерений; 2) косвенный метод измерений. Первый реализуется при прямом измерении, второй - при косвенном измерении, которые описаны выше.

По условиям измерения различают контактный и бесконтактный методы измерений.

Контактный метод измерений основан на том, что чувствительный элемент прибора приводится в контакт с объектом измерения (измерение температуры тела термометром).

Бесконтактный метод измерений основан на том, что чувствительный элемент прибора не приводится в контакт с объектом измерения (измерение расстояния до объекта радиолокатором, измерение температуры в доменной печи пирометром).

Исходя из способа сравнения измеряемой величины с ее единицей, различают методы непосредственной оценки и метод сравнения с мерой.

При методе непосредственной оценки определяют значение величины непосредственно по отсчетному устройству показывающего средства измерения (термометр, вольтметр и пр.). Мера, отражающая единицу измерения, в измерении не участвует. Ее роль играет в средстве измерения шкала, проградуированная при его производстве с помощью достаточно точных средств измерения.

При методе сравнения с мерой измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой (измерение массы на рычажных весах с уравновешиванием гирями). Существует ряд разновидностей этого метода: нулевой метод, метод измерений с замещением, метод совпадений.

3.4 Средства измерений

Средство измерений - техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности, в течение известного интервала времени.

Приведенное определение раскрывает суть средства измерений, заключающуюся, во-первых, в умении хранить (или воспроизводить) единицу физической величины; во-вторых, в неизменности размера хранимой единицы. Эти важнейшие факторы и делают техническое средство средством измерений. Если размер единицы в процессе измерений изменяется более чем установлено нормами, таким средством нельзя получить результат с требуемой точностью.

Измерять можно лишь тогда, когда техническое средство, предназначенное для этой цели, может хранить единицу, достаточно неизменную по размеру во времени.

Средства измерений включают в себя меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки, измерительные системы.

Мера. К мерам относятся средства измерений, предназначенные для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью.

Существуют следующие разновидности мер:

однозначная мера - мера, воспроизводящая физическую величину одного размера (например, гиря 1кг) ;

многозначная мера - мера, воспроизводящая физическую величину разных размеров (например, штриховая мера длины) ;

набор мер - комплект мер разного размера одной и той же физической величины, предназначенных для применения, как в отдельности, так и в различных сочетаниях (набор гирь) ;

магазин мер - набор мер, конструктивно объединенных в единое устройство с приспособлениями для соединения их в различных комбинациях (например, магазин электрических сопротивлений).

Измерительный преобразователь - это техническое средство с нормированными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи. Измерительные преобразователи являются конструктивно обособленными элементами и самостоятельно для измерений не применяются. Они входят в состав измерительной установки, измерительной системы или применяются вместе с каким-либо средством измерений (например, термоэлектрический преобразователь).

Измерительный прибор - это средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне.

По способу индикации значений измеряемой величины измерительные приборы разделяются на показывающие и регистрирующие.

Различают также приборы прямого действия и приборы сравнения, аналоговые и цифровые, самопишущие и печатающие приборы.

Измерительная установка - совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенная для измерений одной или нескольких физических величин и расположенная в одном месте (например, установка для поверки счетчиков электрической энергии).

Измерительная система - совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств. Они размещаются в разных точках контролируемого объекта с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в разных целях (например, измерительная система электростанции, позволяющая получить измерительную информацию о ряде физических величин в разных энергоблоках).

В зависимости от назначения измерительные системы разделяют на информационные, контролирующие и управляющие.

3.5 Метрологические свойства и метрологические характеристики средств измерений

Метрологические свойства средств измерений - это свойства, влияющие на результат измерений и его погрешность. Показатели метрологических свойств являются их количественной характеристикой и называются метрологическими характеристиками.

Перечень важнейших из них регламентируется ГОСТ 8. 009-84 «ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений». Комплекс нормируемых метрологических характеристик устанавливается таким образом, чтобы с их помощью можно было установить погрешность средств измерений в известных рабочих условиях эксплуатации.

Все метрологические свойства средств измерений можно разделить на две группы:

свойства, определяющие область применения средств измерений;

свойства, определяющие качество измерения.

К основным метрологическим характеристикам, определяющим свойства первой группы, относятся диапазон измерений и порог чувствительности.

Диапазон измерений - область значений величины, в пределах которых нормированы допускаемые пределы погрешности. Значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу или сверху (слева или справа), называют соответственно нижним или верхним пределом измерений.

Порог чувствительности - наименьшее изменение измеряемой величины, которое вызывает заметное изменение выходного сигнала. Например, если порог чувствительности весов равен 10 мг, то это означает, что заметное перемещение стрелки весов достигается малом изменении массы, как 10 мг.

К метрологическим свойствам второй группы относятся три главных свойствах, определяющих качество измерений: точность, сходимость измерений и воспроизводимость.

Наиболее широко в метрологической практике используется первое свойство - точность измерений. Рассмотрим его более подробно. Точность измерений средств измерений определяется их погрешностью.

Погрешность - это разность между показаниями средств измерений и истинным (действительным) значением измеряемой физической величины. Поскольку истинное значение физической величины не известно, то на практике пользуется ее действительным значением. Для рабочего средства измерения за действительное значение принимают показания рабочего эталона низшего разряда (допустим, 4-го), для эталона 4-го разряда, в свою очередь, - значение физической величины, полученное с помощью рабочего эталона 3-го разряда. Таким образом, за базу для сравнения принимают значения средств измерений, которое является в поверочной схеме вышестоящим по отношению к подчиненному средству измерения, подлежащему поверке:

Xп = Xп - Xо, (4)

где ДXп - погрешность поверяемого средства измерения; Xп - значение той же самой величины, найденное с помощью поверяемого средства измерения; Xо - значение средства измерения, принятое за базу для сравнения, т. е. действительное значение.

Наибольшее распространение получили метрологические свойства, связанные с абсолютными и относительными погрешностями.

Точность измерений средств измерений - качество измерений, отражающее близость их результатов к действительному (истинному) значению измеряемой величины. Точность определяется показателями абсолютной и относительной погрешности.

Определяемая по формуле (3) Xп является абсолютной погрешностью. Однако, в большей степени точность средств измерений характеризует относительная погрешность (д), т. е. выраженные в процентах отношение абсолютной погрешности к действительному значению величины, измеряемой или воспроизводимой данным средством измерения:

д =100. хп/хо (5)

Точность может быть выражена обратной величиной погрешности - 1/8. если погрешность д = 0, 1% или 0, 001 = 10-3, то точность равна 103.

Систематическая погрешность - составляющая погрешности результата измерения, остающаяся постоянной (или же закономерно изменяющейся) при повторных измерениях одной и той же величины. Ее примером может быть погрешность градуировки, Если эта погрешность известна, то ее исключают из результатов разными способами, в частности введением поправок.

При нормировании систематической составляющей погрешности средства измерения устанавливают пределы допускаемой систематической погрешности средства измерения -Д. Величина систематической погрешности определяет такое метрологическое свойство, как правильность измерений средств измерений.

Случайная погрешность - составляющая погрешности результата измерения, изменяющаяся случайным образом (по знаку и значению) в серии повторных измерений одного итого же размера величины с одинаковой тщательностью. В появлении этого вида погрешности не наблюдается какой-либо закономерности. Они неизбежны и неустранимы, всегда присутствуют в результатах измерения. При многократном и достаточно точном измерении они порождают рассеяние результатов.

Характеристиками рассеяния являются средне арифметическая погрешность, дисперсия, размах результатов измерения. Поскольку рассеяние носит вероятностный характер, то при указании на значения случайной погрешности задают вероятность.

3.6 Методика выполнения измерений

На обеспечение качества измерений направлено применение аттестованных методик выполнения измерений (МВИ). Статьи 9, 11 и 17 Закона РФ «Об обеспечении единства измерений» включают положения, относящиеся к МВИ. В 1997 г. начал действовать ГОСТ 8. 563-96 «ГСИ. Методики выполнения измерений».

Методика выполнения измерений - совокупность операций и правил, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с известной погрешностью. Как видно из определения, под МВИ понимают технологический процесс измерений. МВИ - это, как правило, документированная измерительная процедура. МВИ в зависимости от сложности и области применения излагают в следующих формах: отдельном документе (стандарте, рекомендации и т. п.) ; разделе стандарта: части технического документа (разделе ТУ, паспорта).

Аттестация МВИ - процедура установления и подтверждения соответствия МВИ предъявляемым к ней метрологическим требованиям.

В документах, регламентирующих МВИ, в общем случае указывают: назначение МВИ; условия измерений; требования к погрешности измерений; метод (методы) измерений; требования к средствам измерений (в том числе к стандартным образцам), вспомогательным устройствам, материалам, растворам, операции при подготовке к выполнению измерений; операции при выполнении измерений; операции обработки и вычисления результатов измерений и другие требования.

При разработке МВИ одни из основных исходных требований - требования к точности измерений, которые должны устанавливать, в виде пределов допускаемых значений характеристик, абсолютную и относительную погрешности измерений.

Наиболее распространенным способом выражения требований к точности измерений являются границы допускаемого интервала, в котором с заданной вероятностью (Р) должна находиться погрешность измерений.

Ответственным этапом является оценивание погрешности измерений путем анализа возможных источников и составляющих погрешности измерений: методических составляющих (например, погрешности, возникающие при отборе и приготовлении проб), инструментальных составляющих (допустим, погрешности, вызываемые ограниченной разрешающей способностью средств измерений) ; погрешности, вносимые оператором (субъективные погрешности).

4. Эталоны физических величин и система воспроизведения единиц физических величин

Система воспроизведения единиц физических величин и передачи информации об их размерах всем без исключения СИ в стране составляет техническую базу обеспечения единства измерений.

Воспроизведение единиц физических величин. В соответствии с основным уравнением измерения измерительная процедура сводится к сравнению неизвестного размера с известным, в качестве которого выступает размер соответствующей единицы Международной системы. Воспроизведение единицы представляет собой совокупность операций по материализации единицы физической величины с наивысшей в стране точностью с помощью государственного эталона или исходного рабочего эталона. Различают воспроизведение основных и производных единиц. Размеры единиц могут воспроизводиться там же, где выполняются измерения (децентрализованный способ), либо информация о них должна передаваться с централизованного места их хранения или воспроизведения (централизованный способ). Децентрализовано воспроизводятся единицы многих производных физических величин. Основные единицы сейчас воспроизводятся только централизованно.

Централизованное воспроизведение единиц осуществляется с помощью специальных технических средств, называемых эталонами. Эталон единицы величины - средство измерений, предназначенное для измерения и хранения единицы величины (или кратных или дольных значений единицы величины) с целью передачи ее размера другим средствам измерений данной величины. Эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы с наивысшей в стране (по сравнению с другими эталонами той же единицы) точностью, называется первичным эталоном. Первичные эталоны - это уникальные средства измерений, часто представляющие собой сложнейшие измерительные комплексы, созданные с учетом новейших достижений науки и техники на данный период. Эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы в особых условиях и служащий для этих условий, называется специальным эталоном. Официально утвержденные в качестве исходного для страны первичный или специальный эталоны называются государственными.

Эталон, получающий размер единицы путем сличения с первичным эталоном рассматриваемой единицы, называется вторичным эталоном.

Эталон должен отвечать трем основным требованиям: неизменность (способность удерживать неизменным размер воспроизводимой им единицы в течении длительного интервала времени) ; воспроизводимость (воспроизведение единицы с наименьшей погрешностью для данного уровня развития измерительной техники) ; сличаемость (способность не претерпевать изменений и не вносить каких-либо искажений при проведении сличений).

Государственные эталоны представляют собой национальное достояние и поэтому должны храниться в метрологических институтах страны в специальных эталонных помещениях, где поддерживается строгий режим по влажности, температуре, вибрациям и другим параметрам. Для обеспечения единства измерений физических величин в международном масштабе большое значение имеют международные сличения национальных государственных эталонов. Эти сличения помогают выявить систематические погрешности воспроизведения единицы национальным эталонам, установить, насколько национальные эталоны соответствуют международному уровню, и наметить пути совершенствования национальных (государственных) эталонов.

Передача размера единицы представляет собой приведение размера единицы физической величины, хранимой повторяемым средством измерения, к размеру единицы, воспроизводимой или хранимой эталоном. Передача размера осуществляется при сличении этих единиц. При передаче информации о размере единиц обширному парку средств измерений приходится прибегать к многоступенчатой процедуре.

Самыми распространенными по численности парка являются вторичные эталоны различных разрядов - 1, 2, 3-го (иногда 4-го). От рабочих эталонов низшего разряда размер передается рабочим средствам измерения (РСИ). В качестве методов передачи информации о размере единиц используют методы непосредственного сличения (т. е. сличения меры с мерой или показаний двух приборов), а также сличение с помощью компаратора.

На каждой ступени передачи информации о размере единицы точности теряется в 3-5 раз (иногда - в 1, 25-10 раз). Значит, при многоступенчатой передаче эталонная точность не доходит до потребителя. Поэтому для высокоточных средств измерений число ступеней может быть сокращено вплоть до передачи им информации непосредственно от рабочих эталонов 1-го разряда.

Поверочные схемы средств измерений представляют собой документ, который устанавливает соподчинение средств измерений, участвующих в передаче размера единицы от эталона к рабочим средствам измерений с указанием методов и погрешности при передаче. Различают государственные и локальные поверочные схемы. Государственные схемы регламентируют передачу информации о размере единицы всему парку средств измерений в стране. Во главе этой схемы находится государственный эталон.

Государственные поверочные схемы закладываются в основу государственных стандартов. Локальные поверочные схемы распространяются на средства измерений, подлежащие поверке, организуемой метрологической службы министерства (ведомства) или метрологической службой юридического лица.

Систему передачи образно представляют в виде схемы: в основании находится совокупность РСИ; вершину занимает государственный эталон; на промежуточных плоскостях - рабочие эталоны различных разрядов. От основания к вершине уменьшается погрешность средств измерений, растет их стоимость, снижается «тираж» изготовления.

Процесс передачи размера единиц происходит при поверке и калибровке средств измерений. Поверка и калибровка представляют собой набор операций, выполняемых с целью определения и подтверждения соответствия средств измерений установленным техническим требованиям.

Принципиальное отличие поверки от калибровки состоит в том, что поверка: 1) носит обязательный характер и проводится в рамках государственного метрологического контроля; 2) проводится в отношении СИ, которые применяются в законодательно установленных (Закон РФ «Об обеспечении единства измерений») сферах, главным образом непроизводственных - здравоохранение, охрана окружающей среды, торговые операции, государственные учетные операции, обеспечение обороны государства, банковские, налоговые, таможенные операции и пр.

4.1 Государственная система обеспечения единства измерений

Центральная задача в организации измерительных работ - достижение сопоставимых результатов измерений одних и тех объектов, выполненных в разное время, в разных местах, с помощью разных методов и средств. Эта задача решается путем обеспечения единства измерений. В свою очередь это единство достигается в результате деятельности метрологических служб, направленных на достижение и поддержание единства измерений в соответствии с государственными актами, правилами, требованиями, нормами, установленными стандартами и другими нормативными документами в области метрологии.

В организационном плане это единство обеспечивается субъектами метрологии - государственной метрологической службой страны, увязывающей свою деятельность с международными метрологическими организациями, метрологическими службами федеральных органов исполнительной власти России и метрологическими службами юридических лиц

Схема передачи размера единиц от эталона рабочим средствам измерений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Нормативной базой обеспечения единства измерений является законодательная метрология, а технической базой служит рассмотренная система воспроизведения единиц физических величин и передачи информации об их размерах всем без исключения СИ в стране.

Обеспечение единства и требуемой точности измерений

Применение узаконенных единиц величин		СИ МВИ		Метрологический контроль: утверждение типа, сертификация СИ; поверка, калибровка СИ; лицензирование деятельности по изготовлению, ремонту, продаже и прокату СИ
Использование государственных эталонов для воспроизведения и хранения единиц величин и передачи их размеров всем СИ				Использование аттестованных методик выполнения измерений
Использование Стандартных образцов состава, свойств веществ и материалов				Метрологический надзор за выпуском, состоянием и применением СИ, аттестованными МВИ, эталонами единиц величин, соблюдением метрологических правил и норм; за количеством отчуждаемых, фасованных товаров
Использование Стандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществ и материалов

Важнейшей формой обеспечения единства измерений со стороны государства является метрологический контроль и надзор.

5. Государственный метрологический контроль и надзор

Государственный метрологический контроль и надзор - деятельность, осуществляемая органом государственной метрологической службы в целях проверки соблюдения установленных метрологических правил и норм.

Сферы распространения

Здравоохранение, ветеринария, охрана окружающей среды, обеспечение безопасности труда;

торговые операции и взаимные расчеты между покупателем и продавцом, в том числе операции с применением игровых автоматов;

государственные учетные операции;

обеспечение обороны государства;

геодезические и гидрометеорологические работы;

банковые, налоговые, таможенные и почтовые операции;

производство продукции, поставляемой по контрактам для государственных нужд в соответствии с законодательством РФ;

испытания и контроль качества продукции в целях определения соответствия обязательным требованиям государственных стандартов РФ;

обязательная сертификация продукции и услуг;

измерения, проводимые по поручению органов суда, прокуратуры, арбитражного суда, государственных органов управления РФ;

регистрация национальных и международных спортивных рекордов.

5.1 Метрологические службы России

К субъектам метрологии относятся: 1) Государственная метрологическая служба РФ (ГМС) ; 2) метрологические службы федеральных органов исполнительной власти и юридических лиц (МС) ; 3) международные метрологические организации.

Государственная метрологическая служба находится в ведении Госстандарта и включает:

государственные научные метрологические центры (ГНМЦ) ;

органы ГМС в субъектах РФ (на территории республик, автономных областей, автономных округов, краев, областей), а также городов Москвы и Санкт-Петербурга.

Государственные научные метрологические центры представлены такими институтами, как ВНИИ метрологической службы (ВНИИМС, г. Москва), ВНИИ метрологии им. Д. И. Менделеева (ВНИИМ, г. Санкт-Петербург) ; НПО «ВНИИ физико-технических и радиотехнических измерений» (ВНИИФТРИ, пос. Менделеево Московской обл.) ; Уральский НИИ метрологии (УНИИМ, г. Екатеринбург) и др. Указанные научные центры не только занимаются разработкой научно-методических основ совершенствования российской системы измерений, но и являются держателями государственных эталонов.

В России функционирует более 100 ЦСМ (соответственно их метрологических подразделений), которые выполняют функции региональных органов ГМС на территориях субъектов РФ, городов Москвы и Санкт-Петербурга. Госстандарт осуществляет руководство тремя государственными справочными службами: Государственной службой времени, частоты и определения параметров вращения Земли (ГСВЧ), Государственной службой стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов (ГССО) и Государственной службой стандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществ и материалов (ГСССД).

ГСВЧ осуществляет межрегиональную и межотраслевую координацию работ по обеспечению единства измерений времени, частоты и определения параметров вращения Земли. Об этой службе рядовой житель страны узнает 2 раза в год - при переходе на летнее и зимнее время. Потребителями измерительной информации ГСВЧ являются службы навигации и управления самолетами, судами и спутниками, Единая энергетическая система и пр.

ГССО обеспечивает создание и применение системы стандартных (эталонных) образцов состава и свойств веществ и материалов - металлов и сплавов, нефтепродуктов, медицинских препаратов, образцов почв, образцов твердости различных материалов, образцов газов и газовых смесей и др.

...