1. Метрология

Метрология – учение о мерах, или точнее, метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности,[8,10].

Метрология проникает во все сферы деятельности человека, науки и дисциплины, имеющие дело с измерениями и является для них единой наукой.

Научной основой обеспечения единства измерений, методов и средств обеспечения их единства является метрология.

В зависимости от целей метрология делится на три раздела: теоретическая, законодательная, прикладная.

В теоретической метрологии разрабатываются фундаментальные основы этой науки.

В законодательной метрологии устанавливаются обязательные технические и юридические основы, требования по применению единиц физических величин, эталонов, методов и средств измерений, направленных на обеспечение единства и необходимой точности измерений.

В технические основы обеспечения единства измерений входят системы; государственных эталонов единиц ФВ, государственной поверки и калибровки СИ, стандартных образцов состава и свойств вещества и материалов, стандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществ и материалов, разработки, постановки на производство и выпуска рабочих СИ.

Практическая (прикладная) метрология освещает вопросы практического применения разработок теоретической и положений законодательной метрологии.

Законодательная метрология – раздел метрологии включающий комплексы взаимосвязанных и взаимообусловленных общих правил, требований и норм, а также другие вопросы, нуждающиеся в регламентации и контроле со стороны государства, направленные на обеспечение единства измерений и единообразие средств измерений.

Поверка – операция, проводимая государственным уполномоченным органом заключается в установлении пригодности СИ к применению на основании экспериментально определенных метрологических характеристик и контроля их соответствия предъявляемым требованиям. Основной метрологической характеристикой, определяемой при поверке СИ, является его погрешность. Погрешность СИ определяется в сравнении с рабочим эталоном. Поверка выполняется метрологическими службами по поверочным схемам. Поверочные схемы делятся на: государственные и локальные. Поверку различают: первичную, периодическую, внеочередную, инспекционную. Если средство измерения (СИ) признано пригодным то на него или техническую документацию наносится оттиск поверительного клейма.

Калибровка СИ – совокупность операций, с целью подтверждения метро- логических характеристик и пригодности к применению СИ, не подлежащих обязательному государственному метрологическому контролю и надзору.

Основные понятия, которыми оперирует метрология: физическая величина, единица физической величины, средства измерений физической величины, эталон, образцовые средства измерений, рабочие средства измерений, метод измерений, погрешность измерений, метрологическая служба и метрологической обеспечение.

Физическая величина (ФВ) – характеристика одного из свойств физического объекта (физической системы, явления или процесса) общая в качественном отношении многим физическим объектам, но в количественном отношении индивидуальная для каждого объекта.

Единица физической величины – физическая величина, которой по определению присвоено числовое значение равное единице. Единица физической величины – это такое ее значение, которое принимают за основание масштаба для сравнения с ним физических величин того же ряда для их количественной оценки.

Значение физической величины – это оценка ее размера в виде некоторого числа, принятых для нее единиц.

Развитие науки и техники, рост международных связей настоятельно требовали единообразия систем единиц в международном масштабе. В России с 1 января 1982 года была введена система измерений (СИ), в которой введено семь основных физических единиц и две дополнительные (табл. 1), согласно ГОСТ 8.417-81.

Таблица 1

Основные физические единицы

Наименование величина	Размерность	Обозначение
		рекомендуемое	русское	международное
Основные физические единицы
Длина	Метр	L	м	m
Масса	Килограмм	М	кг	kg
Время	Секунда	T	c	s
Термодинамическая температура	Кельвин	Q	K	K
Сила электрического тока	Ампер	I	A	A
Сила света	Кандела	J	кд	сd
Количество вещества	Моль	N	моль	mol
Дополнительные физические единицы
Плоский угол	Радиан		рад	rad
Телесный угол	Стерадиан		ср	sr

Остальные 27 физических единиц производные. Например, скорость V = S/t, м/с или сила F = mg, Н (ньютон).

Сила, вес ; ; ньютон ; Н; .

Давление, механическое напряжение; ;паскаль; Па; .

Мощность ;; ватт; .

Энергия, работа, количество теплоты; ; джоуль; Дж;

Электрическое напряжение; вольт; ; .

Измерение физической величины. Измерения делятся на прямые, косвенные, совместные, совокупные, равноточные и неравноточные, статические, динамические, технические и метрологические.

Прямые измерения, при которых искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных по показаниям средств измерений (например, измерение длины с помощью линейки).

Косвенные измерения – когда искомое значение находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, полученными прямимы измерениями (например, объем тела V=abc, a – ширина тела, b – длина тела, c – высота тела).

Совместные измерения – проводимые одновременно двух или более не одноименных величин (величин, имеющих разные размерности) для нахождения зависимости между ними (например, определение коэффициента линейного расширения материала).

Совокупные измерения – те, которые получают при одновременном измерении нескольких одноименных величин, при которых искомое значение определенной величины находят решением систем уравнений получаемых при прямых измерениях.

Статические – измерения неизменной величины на протяжении времени (например, измерение участка земли).

Динамические – измерения изменяющейся по параметрам физической величины во времени (например, измерение на влагоустойчивость, виброустойчивость).

Технические – измерения ряда физических величин с помощью рабочих средств измерений. Результат измерения любой физической величины можно представить в виде

,

где X_изм – измеренное значение физической величины;

X_ис – истинное значение измеряемой величины;

– абсолютная погрешность измерения.

Метрологические – измерения при помощи эталонов и образцовых средств измерений с целью воспроизведения единиц физических величин для передачи их размера рабочим средствам измерений.

Эталон физической величины – средство измерения предназначенное для

воспроизведения и хранения единицы и передачи ее размера нижестоящим средствам измерений.

Свойства эталона – неизменность, воспроизводимость и сличаемость.

Первичный эталон – обеспечивает воспроизводимость единицы с наивыс-

шей (по сравнению с другими эталонами) точностью.

Специальный эталон – использует в особых условиях (первичный).

Эталон – свидетель – вторичный.

Эталон – копия – вторичный для передачи размера рабочим эталонам, для

предохранения первичного или специального от преждевременного износа.

Эталон – сравнение – вторичный для сличения эталонов.

Рабочий эталон – вторичный для передачи размера образцовым средствам

измерения и наиболее точным рабочим средствам измерения (самые распространенные).

Международный эталон – первичный для согласования размеров, воспро-

изводимых и хранимых национальными эталонами.

Точность результата измерений – близость к нулю погрешности резуль-

тата измерений.

Точность характеризуется погрешностью измерений.

Погрешности средств измерений – отклонение результата измерения от

истинного (действительного) значения измеряемой величины.

В зависимости от формы выражения различают абсолютную, относительную и приведенную погрешности измерения.

Абсолютная погрешность определяется как разность .

Относительная погрешность – как отношение .

Приведенная погрешность , где нормированное (максимальное) значение измеряемой величины.

Погрешности измерений в зависимости от характера проявления, причин возникновения и возможности устранения различаются как систематические и случайные составляющие погрешности измерений, а также грубые погрешности (промахи) .

Систематические погрешности измерений, носят постоянный, закономер-

ный характер при повторных измерениях, они могут быть изучены и устранены, а результат измерения может быть уточнен за счет внесения поправок .Составляющими систематических погрешностей являются субьектив

ные, методические и инструментальные.

Субъективные систематические погрешности связанные с индивидуальными особенностями оператора.

Методические составляющие обусловлены несовершенством метода измерения, некорректностью расчетных формул и округления результатов.

Инструментальные составляющие возникают из-за собственной погрешности СИ, определяемой классом точности.

В качестве истинного значения при многократных измерениях получают среднее арифметическое значение

.

Случайные погрешности – составляющие погрешности измерений, изменя-

ются случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины. Результат измерений уточняют при проведении повторных измерений. Для этого должны быть известны вероятностные и статистические характеристики (закон распределения, закон математического ожидания, среднее квадратичное отклонение – СКО, доверительная вероятность и доверительный интервал)

Для оценки возможных отклонений от определяют среднее квадратичное отклонение (СКО)

.

– среднее квадратичное отклонение случайной величины;

n – количество измерений.

Чаще всего случайные погрешности подчиняются закону нормального распределения случайной величины :

.

где – среднее квадратичное отклонение, Y(x) – плотность вероятности непрерывного типа , е – основание натуральных логарифмов, - среднее значение величины

Рис 1. График закона нормального

распределения погрешностей

Для установления значений случайной погрешности указывают границы до-

верительного интервала, внутри которого находится случайная погрешность

с заданной вероятностью Р.Если погрешность подчиняется нормальному закону распределения, то границы доверительного интервала задаются .

При значение Р = 0,68; при значение Р = 0,95; при

значение Р = 0,99.

При ограниченном числе измерений n вводят коэффициент Стьюдента , чтобы уменьшить случайную составляющую погрешности, если систематическая погрешность определяется классом точности необходимо чтобы доверительный интервал был существенно меньше систематической составляющей .

Если измерения однократные, то результат однократного измерения

где – значение показаний прибора, – суммарная погрешность измерения.

Прогрессивные погрешности – в процессе измерений возрастают или

убывают, в результате износа СИ.

Периодические изменяются по синусоидальному циклу.

Грубые погрешности возникают из-за ошибочных действий оператора,

неисправности СИ или резких условий измерений.

Виды средств измерений:

Меры - ­это СИ, воспроизводящие или хранящие физическую величину заданного размера (набор конечных мер длины).

Измерительные приборы - СИ предназначенные для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне и преобразования измеряемой величины в сигнал измерительной информации.

Измерительная установка – совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов и других устройств, предназначенных для измерения одной или нескольких физических величин и расположенная в одном месте.

Измерительная система - совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов , ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта с целью измерений одной или нескольких физических величин.

Качество измерений – совокупность свойств измерений обуславливающих соответствие средств измерений, метода измерений и состояние единства измерений требованиям измерительной задачи. Качество измерений характеризуется такими показателями, как точность, правильность и достоверность.

Качество измерений – это конечный результат деятельности метрологической службы по метрологическому обеспечению производства.

Классы точности средств измерений – это обобщенная метрологическая характеристика, определяющая различные свойства средств измерений.

Класс точности СИ включает систематическую и случайную погрешности, но класс не является непосредственной характеристикой точности измерений, так как точность измерений зависит от метода измерений, условий измерений, взаимодействия СИ с объектом.

ГОСТом 8401-80 установлено 3 вида классов точности:

1) для пределов допускаемой абсолютной погрешности в единицах измеряемой величины или делениях шкалы. Классы точности СИ абсолютной погрешности обозначаются прописными буквами латинского алфавита: A, B, C, D, E, F, J, K, M, N, P…, и чем дальше буква от начала алфавита тем больше значение допускаемой абсолютной погрешности;

2) для пределов допускаемой относительной погрешности в виде ряда чисел , где А равно 1;1,5; (1,6); 2; 2,5; (3); 4; 5; 6 класс 0,5 ; 1,5 …

Пример. Отсчет по шкале прибора с пределами 0 – 50 А и равномерной шкалой составил 25 А. Оценить пределы допускаемой погрешности класса точности прибора 0,5 А.

3) для пределов допускаемой приведенной погрешности в виде с тем же рядом , класс 0,5; 1,5…

Для примера, указанного в пункте 2 для класса точности 0,5: А.

То есть класс точности зависит от нормированного значения шкалы СИ %.

Государственный метрологический контроль включает:

- утверждение типа средств измерений;

- поверку средств измерений, в том числе эталонов;

-лицензирование деятельности юридических и физических лиц по изготовлению, ремонту, продаже и прокату средств измерений.

Метрологическая аттестация – это признание средства измерения узаконенным для применения ( с указанием его метрологического назначения и МХ). Метрологической аттестации могут подвергаться СИ, не подлежащие государственным испытаниям, опытные образцы СИ, измерительные приборы , выпускаемые или ввозимые из-за границы в единичных экземплярах, измерительные системы и их каналы.

Метрологическая надежность – способность средств измерений сохранять его метрологическую исправность в течении заданного времени при определенных режимах и условиях эксплуатации.

В процессе эксплуатации параметры средства измерений претерпевают изменения. Эти изменения носят случайный монотонный или флуктуирующий характер и приводят к отказам, то есть к невозможности средства измерения выполнять свои функции.

Надежность средства измерения (СИ) характеризует его поведение в течении времени и является обобщающим понятием, включающим стабильность, безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость.

Стабильность СИ является качественной характеристикой, отражающей неизменность во времени его метрологических характеристик. Она описывается временными зависимостями параметров закона распределения погрешности.

Безотказность СИ – непрерывно сохранять работоспособное состояние в течении некоторого времени.

Долговечность СИ – сохранять свое работоспособное состояние до наступления предельного состояния (при котором его применение не допустимо).

Ремонтопригодность СИ заключается в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, восстановлению и поддержанию его работоспособного состояния путем технического обслуживания и ремонта.

Сохраняемость СИ – свойство сохранять значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности в течении и после хранения и транспортирования.

Метрологическая экспертиза (МЭ) – анализ и оценивание экспертами метрологами правильности применения требований, правил и норм, связанных с единством и точностью измерений. Она проводится с целью обеспечения эффективности использования контрольно-измерительного оборудования на всех стадиях жизненного цикла продукции и услуг. Различают экспертизу документации (например, технических заданий, конструкторских и технологических документов, документов систем обеспечения качества) и экспертизу различных объектов (например, сложных средств измерений, технологического оборудования).

Метрологическую экспертизу проводят подразделения метрологической службы, разрабатывающие документацию, для установления соответствия показателей точности измерения, правильности выбора контрольно-измерительного оборудования, применения унифицированных и стандартизованных СИ, установления правильности наименований и обозначений физических единиц и их единиц в соответствии с ГОСТ 8.417-81.

Метрологическое обеспечение – комплекс научных и технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерений.

Предприятие, соответственно роду выпускаемой продукции, должно иметь в обращении целый ряд измерительных мер и приборов. Метрологическое обеспечение на предприятии может функционировать в системе управления качеством продукции самостоятельно или в составе группы стандартизации.

Главными задачами метрологии являются:

• разработка и руководство внедрением организационно-технических мероприятий по обеспечению единства и правильности измерений;

• внедрение прогрессивных средств, методов измерений и испытаний;

• разработка методик проверки мер и измерительных приборов, разработка предложений по увеличению сроков службы мер и приборов и замене морально устаревших средств измерений наиболее современными измерительными средствами;

• контроль за соблюдением правил пользования мерами и приборами на рабочих местах, в цехах, лабораториях.

Метрологическая служба - служба, создаваемая в соответствии с законодательством для выполнения работ по обеспечению единства измерений и осуществления метрологического контроля и надзора;[ 8 ].