lekcii_po_metrologii

ВВЕДЕНИЕ

Разработка, изготовление и эксплуатация технологических систем, систем автоматизации управления и средств автоматизации неизбежно связаны с выполнением большого числа измерений. При этом получаемая измерительная информация используется как для собственно измерения, так и для выработки соответствующих управляющих сигналов, логических заключений и суждении в таких процедурах, как управление, контроль, диагностирование, идентификация и т.п. Очевидно, что выбор методов и средств измерения в каждом конкретном случае должен обеспечивать получение требуемых показателей качества конечного результата. Таким образом, перед специалистом встает задача правильного выбора метода и средства измерений, должной организации измерительного эксперимента обработки и представления результатов измерений в соответствии с принципами метрологии и действующими в этой области нормативными документами. Повышение эффективности производства и улучшение качества разработок связано также с широким применением различных форм и методов стандартизации.

Отсюда следует необходимость соответствующей подготовки специалистов в области решения метрологических и измерительных задач в процессе разработок и обслуживания химических технологий и систем управления ими, а также обеспечения требований системы стандартов Государственной системы измерений в повседневной практической деятельности.

В процессе познавательной деятельности человека возникает множество задач, для решения которых необходимо располагать количественной информацией о том или ином свойстве объектов материального мира (явления, процесса, вещества, изделия). Основным способом получения такой информации являются измерения, при правильной организации и выполнении которых получают результат измерения с большей или меньшей точностью отражающий интересующие свойства объекта познания. Информация о свойствах и качествах объектов, полученная посредством измерений, называется

измерительной информацией.

Студенты инженерных специальностей высших учебных заведений, начиная уже с первого семестра, работают в лабораториях, выполняя лабораторные работы по профилю общетехнических и специальных кафедр. При этом в основе большинства лабораторных работ лежат измерения. Результаты любых измерений, как бы тщательно и на каком бы высоком уровне они не выполнялись, неизбежно содержат некоторые погрешности. Абсолютно точных измерений не может быть принципиально. Именно поэтому успешная работа студентов в лабораториях, наряду с изучением методов и средств измерений и приобретением навыков измерений, предполагает также их знакомство с современными методами математической обработки результатов измерений, анализа и оценивания погрешностей.

3

Подготавливаясь к будущей самостоятельной работе по профилю избранной специальности, студентам необходимо иметь в виду, что сегодня измерения пронизывают все сферы инженерного труда. С измерениями связана деятельность инженера-исследователя и инженера-технолога; инженерконструктор обязан иметь ясное представление о возможностях измерительной техники, чтобы обеспечить взаимозаменяемость деталей и узлов, контролепригодность разрабатываемого изделия на всех стадиях его жизненного цикла. Измерительная информация является основой для принятия технических и управленческих решений при испытаниях продукции, оценивании ее технического уровня, аттестации и сертификации качества. Поэтому знание современных правил, норм и требований в области измерений также обязательно для специалистов, осуществляющих функции управления и организации производства.

Результат любого измерения заслуживает внимания лишь при условии, что он сопровождается оценкой погрешности измерения, либо дополняется сведениями, позволяющими потребителю измерительной информации оценить точность измерения самостоятельно. С другой стороны, важно не только уметь выполнить измерение и оценить погрешность результата, но и так спланировать и осуществить процедуру измерения, чтобы обеспечить требуемую точность или свести погрешности к минимуму.

Говоря о точности измерений, следует заметить, что уровень точности, к которому надо стремиться, должен определяться критериями технической и экономической целесообразности. Известно, что увеличение точности измерения вдвое удорожает само измерение в несколько раз. В то же время снижение точности измерения в производстве ниже определенной нормы приводит к браку продукции. При назначении точности измерений важно также учитывать их значимость. В одних случаях недостаточная точность получаемой измерительной информации имеет небольшое или локальное значение, в других играет исключительно важную роль: от точности измерения может зависеть научное открытие или жизнь и здоровье людей.

С развитием науки, техники и разработкой новых технологий измерения охватывают все новые и новые физические величины, существенно расширяются диапазоны измерений как в сторону измерения сверхмалых значений, так и в сторону очень больших значений физических величин. Непрерывно повышаются требования к точности измерений.

В этих условиях, чтобы успешно справиться с многочисленными и разнообразными проблемами измерений, необходимо освоить некоторые общие принципы их решения, нужен единый научный и законодательный фундамент, обеспечивающий на практике высокое качество измерений, независимо от того, где и с какой целью они производятся. Таким фундаментом является метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

4

Необходимо отметить – выполнение выше очерченных задач может быть осуществлено только на базе знания законодательных основ Государственной системы стандартизации.

Стандартизация – это деятельность по установлению норм, правил и характеристик в целях обеспечения безопасности продукции, работ и услуг для окружающей среды, жизни, здоровья и имущества; технической и информационной совместимости, а также взаимозаменяемой продукции; качества продукции, работ и услуг в соответствии с уровнем развития науки, техники и технологии; единства измерений.

Третья составляющая единого учебного курса – сертификация – реализует цели: создание условий для деятельности организаций всех форм собственности на едином товарном рынке России для участия в международном экономическом, научно-техническом сотрудничестве и международной торговле; содействие потребителям в выборе товара и защита их от недобросовестного изготовителя; контроля безопасности продукции для жизни, здоровья и имущества людей и окружающей среды; подтверждение показателей качества продукции, заявленной изготовителем.

Метрология, стандартизация и сертификация неразрывно связаны между собой, поэтому изучение их в одном учебном курсе дает более полное представление о важности каждого из этих направлений деятельности и их совокупности для становления рыночной экономики в стране и развития внешнеэкономической деятельности, что является безусловно важным обстоятельством формирования инженерно-технического и научного мировоззрения специалиста высокой квалификации.

1.МЕТРОЛОГИЯ

1.1.История развития метрологии и становление ее как науки

Наблюдая предметы и явления окружающей природы, человек издавна испытывал потребность в их количественной оценке. Со временем это привело к измерениям. Измерение - одна из древнейших операций, применяемых человеком в общественной практике. Измерение бессознательно имеет место даже в процессе чувственного познания нами внешних предметов (определение размеров предметов путем ощупывания и пр.).

Исторически первыми единицами измерений были единицы, выражающие размеры тела человека (локоть, фут и пр.) или какие-либо предметы. В ходе развития прогресса значение измерений непрерывно возрастает в хо- зяйственно-экономической жизни народов – в торговле, мореплавании, земледелии, в строительном деле. Развитие техники измерений и создание простейших измерительных приборов началось с появлением солнечных, песочных и водяных часов, а также весов. В Древнем Риме, например, в 1 веке для

5

учета расхода воды в городском водопроводе применялись измерительные насадки, явившиеся прототипом современных водомеров.

С подъемом ремесла, науки, искусства в 14-16 веках возникает необходимость в развитии техники измерений – совершенствуются старые средства измерений, создаются новые.

17 век ознаменовался такими изобретениями в области измерений как барометр, телескоп, микроскоп.

В18 веке академиком Г.В. Рихманом, соратником М.В. Ломоносова, был создан первый электроизмерительный прибор – «указатель электрической силы». В этом же столетии созданы динамометр, калориметр и др.

Всередине 19 века вошли в практику приборы для измерения электрических и световых величин.

Таким образом, значение измерений непрерывно возрастает и расширяется сфера их применения – от той стадии человеческой культуры, когда практически можно было ограничиться измерением длины, площади, скорости, времени, массы, до современной эпохи, когда измерения осуществляются по отношению к любой физической величине почти независимо от интер-

вала, в котором она измеряется (например, масса электрона и колоссального космического тела, длительность промежутков – микросекунда и год и т.д).

Примитивные на первых порах измерения в наши дни превратились в мощный рычаг познания и вместе с тем в один из самых объективных средств контроля. Сейчас трудно себе представить вид деятельности человека, в котором не использовались бы результаты измерений.

Без измерений невозможно существование современной науки, промышленности, сельского хозяйства, медицины, торговли. Измерения необходимы в военном деле, в быту, в спорте и во многих других видах деятельности человека. Они выполняются не только в разных земных условиях, но и в атмосфере, в космосе, на других планетах. Измерения позволяют управлять технологическими процессами, предприятиями, народным хозяйством в целом. Огромное значение имеют измерения в повышении качества продукции. Много измерительных приборов применяется в быту. Измерительная информация стала неотъемлемой спутницей человека. Можно с уверенностью сказать, что измерения сопровождают нас в течение всей жизни.

В нашей стране ежедневно производятся миллиарды измерений, миллионы человек считают измерения своей профессией. Доля затрат на измерения составляет 10–15% от затрат общественного труда, а в отраслях промышленности, производящих сложную технику (электроника, станкостроение и др.), она достигает 50–70%.

На определенном этапе своего развития измерения привели к возникновению метрологии. Зародившись как описательная наука, метрология долго находилась, если можно так сказать, в младенческом возрасте. До конца 19

6

века в трактатах по метрологии под этим термином понимались всякого рода меры по их наименованиям, подразделениям и взаимному отношению.

Большая заслуга в становлении отечественной метрологии принадлежит Д.И. Менделееву, видевшему в метрологии мощный рычаг воздействия на экономику. В 1893 - 1907 гг. Д.И. Менделеев был Управляющим Главной палаты мер и весов в Петербурге и сделал много для становления отечественной метрологии как науки.

В 30-х годах 20 столетия метрология в России получила мощное развитие, но еще долгое время объектами метрологической деятельности было только обеспечение единообразия средств измерений.

Метрология имеет дело с измерениями физических величин. Эти измерения занимают особое положение среди различных видов количественного оценивания. Их отличительная особенность — высокая познавательная ценность, заключающаяся в установлении однозначного соответствия между измеряемыми физическими величинами и их числовыми выражениями. «Зави-

симость между физическими величинами можно выразить уравнениями и привлечь, таким образом, к познанию природы всю мощь математического анализа».

1.2. Предмет метрологии, функции метрологии, единство измерений. Основные понятия и определения

Общепринятое определение метрологии дано в ГОСТ 16263-70 «ГСИ. Метрология. Термины и определения»: метрология – наука об измерениях, методах, средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Греческое слово «метрология» образовано от слов «метрон» – мера и «логос» – учение. Метрология делится на три самостоятельных и взаимно дополняющих раздела, основным из которых является «Теоретическая метрология». В нем излагаются общие вопросы теории измерений. Раздел «Прикладная метрология» посвящен изучению вопросов практического применения в различных сферах деятельности результатов теоретических исследований. В заключительном разделе «Законодательная метрология» рассматриваются комплексы взаимосвязанных и взаимообусловленных общих правил, требований и норм, а также другие вопросы, нуждающиеся в регламентации и контроле государства и направленные на обеспечение единства измерений и единообразия средств измерений (СИ).

Предметом метрологии является извлечение количественной информации о свойствах объектов и процессов с заданной точностью и достоверностью. Средства метрологии – это совокупность средств измерений и метрологических стандартов, обеспечивающих их рациональное использование.

Функции метрологии:

1) разработка научных основ повышенной точности измерений физических параметров;

7

2)обеспечение единства измерений;

3)разработка методов государственной и отраслевой метрологических поверок; разработка мероприятий по созданию и стандартизации новых методов

исредств измерений, а также ремонта и поверок работающих средств; законодательная метрология;

6)развитие сетей научно-исследовательских институтов, органов по метрологии.

Задачи метрологии:

Установление единиц физических величин, государственных эталонов

иобразцовых средств измерений, разработка теории, методов и средств измерений и контроля, обеспечение единства измерений и единообразных средств измерений, разработка методов оценки погрешностей, состояния средств измерения и контроля, а также передачи размеров единиц от эталонов или образцовых средств измерений рабочим средствам измерений.

Одна из главных задач метрологии – обеспечение единства измерений -

может быть решена при соблюдении двух условий, которые можно назвать основополагающими:

1)выражение результатов измерений в единых узаконенных единицах;

2)установление допустимых ошибок (погрешностей) результатов измерений и пределов, за которые они не должны выходить при заданной вероятности.

Часто, применяя одинаковые по размеру единицы и выполняя самые тщательные измерения в разных местах, не удается добиться их единства. Необходимы еще и единая унифицированная методика измерений, устанавливающая единый метод их проведения, требования к условиям измерений и квалификации операторов, осуществляющих измерения, и др.

При соблюдении требований единства измерений одних и тех же размеров однородных физических величин погрешности результатов измерений не должны выходить за пределы установленных норм. Однако знание погрешностей еще не дает основания утверждать, что достигнуто единство измерений. Не установив предела погрешностей измерений, вытекающего из конкретной измерительной задачи, нельзя правильно решить вопрос о выборе необходимых средств измерений, правильно оценить результаты измерений, выполненных в разных местах.

Необходимо отметить, что измерения лишь в том случае могут быть полезны, если их результатам можно доверять. Доверие же невозможно без соблюдения единства измерений той или иной конкретной физической величины.

Достижение единства и требуемой точности измерений – важный фактор обеспечения высокого качества измерений как в настоящее время, так и в будущем. Обеспечение единства измерений возложено на Государственную

8

метрологическую службу, возглавляемую Госстандартом, и метрологические службы министерств.

И все же достижение единства измерений при требуемой их точности во многих случаях не обеспечивает необходимого качества измерений, например, при быстропротекающих процессах, в автоматических производствах, при большом числе измеряемых величин и т.д. Для этого нужны быстродействующие средства измерений. С внедрением сложных измерительных систем существенное значение приобретает квалификация оператора. Нередко причиной брака продукции становятся неверно назначенные средства измерений (в первую очередь по точности). Бывает и так, что средства измерений вовсе не назначаются там, где это необходимо, из-за их отсутствия. Как показывает анализ, если весь брак, причиной которого являются недостатки метрологической деятельности, принять за 100%, то брак продукции вследствие неправильно выбранных или совсем не назначенных средств измерений составит 48,5%, из-за неумелого применения средств измерений, отсутствия метрологически аттестованных методик измерений и низкой квалификации операторов – 46%; 5,5% брака обусловливается неисправностью (технической или метрологической) средств измерений.

1.3. Измерения

1.3.1. Сущность и основные характеристики измерений

Объектом измерений являются физические величины, свойства физического объекта (предмета, процесса), например, длина пути, масса, время, сила тока и др. Однако в последнее десятилетие кроме физических величин в прикладной метрологии начали использоваться и так называемые нефизические величины. Это связано с применением термина «измерение» в экономике, информатике, управлении качеством.

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

С помощью измерений получают информацию о состоянии производственных, экономических и социальных процессов. Измерения являются основными источниками информации о соответствии продукции и услуг требованиям нормативной документации при проведении сертификации. Только достоверность и точность измерительной информации обеспечивает правильность принятия решений о качестве продукции на всех уровнях управления при испытаниях изделий, в научных экспериментах и т.д.

Ниже рассматривается ряд относящихся к измерениям понятий, используемых в настоящее время в метрологии и измерительной технике.

9

Физической величиной называют свойство, общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта.

Под физическим объектом при этом понимают физические системы, их состояние, происходящие в них процессы, а также объекты химии и других наук, в которых используются физические методы. Индивидуальность в количественном отношении понимают в том смысле, что свойство может быть присуще одному объекту в определенное число раз больше или меньше, чем другому.

Размер физической величины – количественное содержание в данном объекте свойства, соответствующего понятию «физическая величина». Из приведенного определения следует, что понятие «размер» служит для отображения объективно существующего количественного различия между физическими объектами по рассматриваемому свойству. Окружающие человека объекты способны вызывать те или иные ощущения в его органах чувств. Объекты обычно сопоставляются человеком по размерам однородных свойств. При этом человек использует одну из форм своего мышления – сравнение. В результате формируются заключения о сравниваемых объектах: длиннее или короче, тяжелее или легче, теплее или холоднее и т.п. Общим для этих и подобных заключений является признак «больше–меньше». Возможность классификации физических величин по данному признаку является фундаментальной предпосылкой реализуемости любого измерения.

Однородными физическими ветчинами называют такие, которые можно сравнить по признаку «больше–меньше». Из однородных физических величин разного размера можно составить последовательный ряд, в котором размер каждой входящей в него величины будет больше размера всех предыдущих и меньше размера всех последующих величин. Ряд, составленный в соответствии с данным принципом по однородным физическим свойствам различных физических объектов, называют последовательным натуральным рядом.

Для формирования шкалы (от лат. scalae – лестница) физической величины из последовательного натурального ряда выбирают некоторые физические величины различного размера, которые применяются в качестве отправных или реперных (от франц. repere – столб, рейка) точек. Совокупность выбранных реперных точек образует шкалу или «лестницу» размеров физической величины. Из общего числа реперных точек выбирают две, размеры S1 и S0 которых относительно просто реализуются физически с высокой точ-

ностью. Эти точки называют опорными точками или основными реперами.

Интервал между размерами S1, и S0 называют основным интервалом шкалы физической величины. При этом один из размеров – S0 принимают за начало отсчета, а некоторую n-ю долю этого интервала – за единицу физической величины. Причем выбор числа п в принципе произволен. Таким образом,

10

единицу физической величины определяют путем	пропорционального
деления основного интервала:
[S] = (S1 – S0)/n ,	(1.1)

где [S] — некоторый размер физической величины, называемый единицей данной физической величины.

Единица физической величины – это физическая величина, которой, по определению, приписано числовое значение, равное единице. Использование зависимости (1.1) означает, что размеры физической величины, лежащие в интервале между S1 и S0, определяются методом линейной интерполяции. Физическая реализация этой интерполяции основывается на методе измери-

тельных преобразований.

Измерительное преобразование – отражение размера одной физиче-

ской величины размером другой физической величины, функционально с ней связанной. Понятие измерительного преобразования с физической точки зрения означает, что физическая величина не может быть определена сама по себе, а может быть воспринята только через тот физический процесс, в котором она проявляется. С помощью измерительных преобразований осуществляют интерполяцию размеров физической величины внутри интервалов между реперными точками и определяют протяженность таких интервалов. Это позволяет построить на основе выбранного измерительного преобразования функциональную шкалу физической величины.

Измерение – это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Измерения обычно осуществляются на естественных или созданных человеком объектах, которые называют объектами измерений.

Объект измерения – это сложное явление или процесс, характеризующийся множеством отдельных физических величин (параметров объекта), каждая из которых может быть измерена в отдельности, но в реальных условиях действует на измерительное устройство совместно со всеми остальными параметрами.

Физическую величину, которая выбрана для измерения, измеряемой величиной. Процесс решения любой задачи измерения включает в себя, как

правило, следующие три этапа: подго-
товку, проведение измерения (измери-					ВФВ
тельного эксперимента) и обработку его
результатов.
В процессе проведения самого из-		Х						Y
мерения объект измерения ОИ (рис. 1.1)	ОИ				СИ
и средство измерений СИ, способное
измерять выбранную физическую вели-	Рис. 1.1. Схема процесса измерения
чину X, приводятся во взаимодействие.

11

Вобщем случае средством измерений называют техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические характеристики (см. п. 1.4.7).

Врезультате измерения получают значение физической величины, которое представляет собой оценку физической величины в виде некоторого числа принятых для ее измерения единиц.

Результат измерения величины X можно записать в виде формулы, называемой основным уравнением измерения:

X = A [X] ,

(1.2)

где А – отвлеченное число, называемое числовым значением физической величины; [X] – единица физической величины.

Результат измерения – это значение физической величины, найденное путем ее измерения.

Значение физической величины представляет собой оценку этой величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц. Размер величины существует реально и остается неизменным. Числовое значение физической величины определяется принятой при измерении единицей этой величины, т.е. один и тот же размер может быть выражен различными числовыми значениями в зависимости от принятой единицы физической величины.

Различают истинное и действительное значения физической величины. Истинное значение физической величины – значение физической величины, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количест-

венном отношениях соответствующее свойство объекта.

В философском аспекте истинное значение всегда остается неизвестным, а совершенствование измерений позволяет приближаться к истинному значению физической величины.

Действительное значение физической величины – значение физической величины, найденное экспериментальным путем и настолько приближенное к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него. Информацию о значении физической величины, получаемую при измерении, называют измерительной информацией. Средство измерений СИ представляет измерительную информацию в виде некоторого сигнала (под сигналом в общем случае понимают некоторый физический процесс, параметры которого содержат информацию), воспринимаемого человеком или различными техническими устройствами – потребителями измерительной информации. Этот сигнал функционально связан с измеряемой физической величиной, поэтому его называют сигналом измерительной информации. В

процессе измерения на средство измерений, оператора и объект измерений воздействуют, как правило, различные внешние факторы – влияющие физические величины ВФВ.

Влияющей физической величиной – называют физическую величину, не являющуюся измеряемой данным средством измерений, но оказывающую влияние на результат измерений этим средством. Несовершенство изготовле-

12