Реферат: Основы метрологии

3. Основы метрологии

Метрология — наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единстваи способах достижения требуемой точности.

В практическойжизни человек всюду имеет дело с измерениями. На каждом шагу встречаются и известныс незапамятных времен измерения таких величин, как длина, объем, вес, время и др.

Велико значениеизмерений в современном обществе. Они служат не только основой научно-техническихзнаний, но имеют первостепенное значение для учета материальных ресурсов и планирования,для внутренней и внешней торговли, для обеспечения качества продукции, взаимозаменяемостиузлов и деталей и совершенствования технологии, для обеспечения безопасности трудаи других видов человеческой деятельности.

Метрологияимеет большое значение для прогресса естественных и технических наук, так как повышениеточности измерений — одно из средств совершенствования путей познания природы человеком,открытий и практического применения точных знаний.

Для обеспечениянаучно-технического прогресса метрология должна опережать в своем развитии другиеобласти науки и техники, ибо для каждой из них точные измерения являются одним изосновных путей их совершенствования.

Основнымизадачами метрологии (по ГОСТу 16263-70) являются:

 установлениеединиц физических величин, государственных эталонов и образцовых средств измерений;

разработкатеории, методов и средств измерений и контроля;

обеспечениеединства измерений и единообразных средств измерений;

разработкаметодов оценки погрешностей, состояния средств измерения и контроля;

разработкаметодов передачи размеров единиц от эталонов или образцовых средств измерений рабочимсредствам измерений.

3.1. Краткая история развития метрологии

Потребность в измерениях возникла в незапамятные времена.Для этого в первую очередь использовались подручные средства. Например, единицавеса драгоценных камней — карат, что в переводе с языков древнего юга-востока означает“семя боба”, “горошина”; единица аптекарского веса – гран, что в переводе с латинского,французского, английского, испанского означает “зерно”. Многие меры имели антропометрическоепроисхождение или были связаны с конкретной трудовой деятельностью человека. Так,в Киевской Руси применялись в обиходе вершок — длина фаланги указательного пальца;пядь — расстояние между концами вытянутых большого и указательного пальцев; локоть- расстояние от локтя до конца среднего пальца; сажень — от “сягать”, “достигать”,т. е. можно достать; косая сажень — предел того, что можно достать: расстояние отподошвы левой ноги до конца среднего пальца вытянутой вверх правой руки; верста- от “верти”, “поворачивая” плуг обратно, длина борозды.

Древние вавилоняне установили год, месяц, час. Впоследствии1/86400 часть среднего периода обращения Земли вокруг своей оси получила названиесекунды.

В Вавилоне воII в. до н. э. время измерялось в минах. Мина равнялась промежутку времени (равному,примерно, двум астрономическим часам), за который из принятых в Вавилоне водяныхчасов вытекала “мина” воды, масса которой составляла около 500 г. Затем мина сократиласьи превратилась в привычную для нас минуту. Со временем водяные часы уступили местопесочным, а затем более сложным маятниковым механизмам.

 Важнейшим метрологическимдокументом в России является Двинская грамота Ивана Грозного (1550 г.). В ней регламентированыправила хранения и передачи размера новой меры сыпучих веществ — осьмины. Ее медныеэкземпляры рассылались по городам на хранение выборным людям — старостам, соцким,целовальникам. С этих мер надлежало сделать клейменые деревянные копии для городскихпомерщиков, а с тех, в свою очередь, — деревянные копии для использования в обиходе.

Метрологическойреформой Петра I к обращению в России были допущены английские меры, получившиеособенно широкое распространение на флоте и в кораблестроении — футы, дюймы. В 1736г. по решению Сената была образована Комиссия весов и мер под председательствомглавного директора Монетного двора графа М.Г. Головкина. В состав комиссии входилЛ. Эйлер. В качестве исходных мер комиссия изготовила медный аршин и деревяннуюсажень, за меру веществ было принято ведро московского Каменномостского питейногодвора. Важнейшим шагом, подытожившим работу комисии, было создание русского эталонногофунта.

Идея построениясистемы измерений на десятичной основе принадлежит французскому астроному Г. Мутону,жившему в XVII в. Позже было предложено принять в качестве единицы длины одну сорокамиллионнуючасть земного меридиана. На основе единственной единицы — метра — строилась всясистема, получившая название метрической.

В России указом“О системе Российских мер и весов” (1835 г.) были утверждены эталоны длины и массы– платиновая сажень и платиновый фунт.

В соответствиис международной Метрологической конвенцией, подписанной в 1875 г., Россия получилаплатиноиридиевые эталоны единицы массы № 12 и 26 и эталоны единицы длины № 11 и28, которые были доставлены в новое здание Депо образцовых мер и весов. В 1892 г.управляющим Депо был назначен Д.И. Менделеев, которую он в 1893 г. преобразует вГлавную палату мер и весов — одно из первых в мире научно-исследовательских учрежденийметрологического профиля.

Метрическая системав России была введена в 1918 г. декретом Совета Народных Комиссаров “О введенииМеждународной метрической системы мер и выесов”. Дальнейшее развитие метрологиив России связано с созданием системы и органов служб стандартизации. Этот вопросподробно рассмотрен в п. 1.2.

Развитие естественныхнаук привело к появлению все новых и новых средств измерений, а они, в свою очередь,стимулировали развитие наук, становясь все более мощным средством исследования.

3.2. Правовые основы метрологической деятельности в РоссийскойФедерации

 

3.2.1. Законодательная база метрологии

Основнымиправовыми актами по метрологии в России являются:

1.Закон РФ “Об обеспечениии единства измерений” от 27.04.93, № 4871-1 в редакции 2003г.;

2. РМГ 29 – 99. Метрология. Термины и определения.

3. МИ* 2247-93 ГСИ. Метрология. Основные термины и определения.

4. ГОСТ 8.417-81 ГСИ. Единицы физических величин.

5. ПР 50.2.006-94 ГСИ. Поверка средств измерений. Организацияи порядок проведения.

6. ПР 50.2.009-94 ГСИ. Порядок проведения испытаний и утверждениятипа средств измерения.

7. ПР 50.2.014-94 ГСИ. Аккредитация метрологических службюридических лиц на право поверки средств измерений.

8. МИ 2277-94 ГСИ. Система сертификации средств измерений.Основные положения и порядок проведения работ.

9. ПР 50.2.002-94 ГСИ. Порядок осуществления государственногометрологического надзора за выпуском, состоянием и применением средств измерений,аттестованными методиками выполнения измерений, эталонами и соблюдением метрологическихправил и норм.

10. ПР 50.2.004-94 ГСИ. Порядок осуществления государственногометрологического надзора за количеством фасованных товаров в упаковках любого видапри их расфасовке и продаже.

11. ПР 50.2.017-95 ГСИ. Положение о российской системе калибровки.

12.Постановление Госстандарта России от 8 февраля 1994 г. N 8 “Порядок лицензированиядеятельности по изготовлению, ремонту, продаже и прокату средств измерений” (Зарегистрированов Минюсте РФ 9 декабря 1994 г. N 741)

13.Постановление Госстандарта России от 08.02.94 N 8 “Порядок осуществления государственногометрологического надзора за количеством товаров, отчуждаемых при совершении торговыхопераций” (зарегистрировано в Минюсте РФ 9 декабря 1994 г. N 740).

14.Постановление Госстандарта РФ от 28 декабря 1995 г. N 95 “Порядок аккредитации метрологическихслужб юридических лиц на право проведения калибровочных работ” (зарегистрированов Минюсте РФ 27 февраля 1996 г. N 1037).

15.Постановление Госстандарта РФ от 8 феврвля 1994 г. №8 «Требования к государственнымцентрам испытаний средств измерений и порядок их аккредитации” (зарегистрированов Минюсте РФ 13 июля 1994 г. N 635).

16. ИСО 10012-1:1992. „Требования, гарантирующие качествоизмерительного оборудования. — Часть 1: Система подтверждения метрологической пригодностиизмерительного оборудования“.

Закон “Об обеспечении единства измерений” осуществляет регулированиеотношений, связанных с обеспечением единства измерений в Российской Федерации, всоответствии с Конституцией РФ.

Основныестатьи Закона устанавливают:

основные понятия, применяемые в Законе;

организационнуюструктуру государственного управления обеспечением единства измерений;

нормативные документы по обеспечению единства измерений;

единицы величин и государственные эталоны единиц величин;

средстваи методики измерений.

Закон определяет Государственную метрологическую службу идругие службы обеспечения единства измерений, метрологические службы государственныхорганов управления и юридических лиц, а также виды и сферы распределения государственногометрологического контроля и надзора.

 Отдельные статьи Закона содержат положения по калибровкеи сертификации средств измерений и устанавливают виды ответственности за нарушениеЗакона.

Становление рыночных отношений наложило отпечаток на статьюЗакона, которая определяет основы деятельности метрологических служб государственныхорганов управления и юридических лиц. Вопросы деятельности структурных подразделенийметрологических служб на предприятиях выведены за рамки законодательной метрологии,а их деятельность стимулируется чисто экономическими методами.

В тех сферах, которые не контролируются государственнымиорганами, создается Российская система калибровки, также направленная на обеспечениеединства измерений.

Положениео лицензировании метрологической деятельности направлено на защиту прав потребителейи охватывает сферы, подлежащие государственному метрологическому контролю и надзору.Право выдачи лицензии предоставлено исключительно органам Государственной метрологическойслужбы.

В области государственного метрологического надзора введеныновые виды надзора:

за количеством товаров, отчуждаемых при торговых операциях;

за количеством товаров в упаковках любого вида при их расфасовкеи продаже;

за банковскими, почтовыми, налоговыми и таможенными операциями;

за обязательностью сертификации продукции и услуг.

Закон создает условия для взаимодействия с международнойи национальными системами измерений зарубежных стран. Это прежде всего необходимодля взаимного признания результатов испытаний, калибровки и сертификации, а такжедля использования мирового опыта и тенденций в современной метрологии.

3.2.2. Юридическая ответственность за нарушение нормативныхтребований по метрологии

Статья 25 Закона“Об обеспечении единства измерений” предусмат-ривает возможность привлечения юридическихи физических лиц, а также государственных органов управления РФ, виновных в нарушенииположе-ний этого Закона к административной, гражданской-правовой или уголов-нойответственности в соответствии с действующим законодательством.

Кодексом об административныхнарушениях и, в частности, статьей 170 “Нарушение обязательных требований государственныхстандартов, правил обязательной сертификации, нарушение требований нормативных документовпо обеспечению единства измерений” предусмотрено наложение штрафа от пяти до стаминимальных размеров оплаты труда.

Гражданско-правоваяответственность наступает в ситуациях, когда в результате нарушений метрологическихправил и норм юридическим или физическим лицам причинен имущественный или личныйущерб. Причиненный ущерб подлежит возмещению по иску потерпевшего на основании соответствующихактов гражданского законодательства.

К уголовной ответственностинарушители метрологических требований привлекаются в тех случаях, когда имеютсяпризнаки состава преступления, предусмотренные Уголовным кодексом.

Дисциплинарнаяответственность за нарушение метрологических правил и норм определяется решениемадминистрации (организации) на основании Кодекса законов о труде.

3.3.Объекты и методы измерений, виды контроля

 

3.3.1. Измеряемые величины

Измеренияявляются инструментом познания объектов и явлений окружающего мира. Поэтому метрологияотносится к науке, занимающейся теорией познания – гноссиологии.

Объектамиизмерений являются физические и нефизические величины (в экономике, медицине, информатике,управлении качеством и пр.).

Всясовременная физика может быть построена на семи основных величинах, которые характеризуютфундаментальные свойства материального мира. К ним относятся: длина, масса, время,сила электрического тока, термодинамическая температура, количество вещества и силасвета. С помощью этих и двух дополнительных величин – плоского и телесного углов– введенных исключительно для удобства, образуется все многообразие производныхфизических величин и обеспечивается описание любых свойств физических объектов иявлений.

Измеренияфизических величин подразделяются на следующие области и виды:

1. Измерения геометрических величин: длин; отклонений формыповерхностей; параметров сложных поверхностей; углов.

2. Измерения механических величин: массы; силы; крутящихмоментов, напряжений и деформаций; параметров движения; твердости.

3. Измерения параметров потока, расхода, уровня, объема веществ:массового и объемного расхода жидкостей в трубопроводах; расхода газов; вместимости;параметров открытых потоков; уровня жидкости.

4. Измерения давлений, вакуумные измерения: избыточного давления;абсолютного давления; переменного давления; вакуума.

5. Физико-химические измерения: вязкости; плотности; содержаний(концентрации) компонентов в твердых, жидких и газообразных веществах; влажностигазов, твердых веществ; электрохимические измерения.

6. Теплофизические и температурные измерения: температуры;теплофизических величин.

7. Измерения времени и частоты: методы и средства воспроизведенияи хранения единиц и шкал времени и частоты; измерения интервалов времени; измерениячастоты периодических процессов; методы и средства передачи размеров единиц времении частоты.

8. Измерения электрических и магнитных величин на постоянноми переменном токе: силы тока, количества электричества, электродвижущей силы, напряжения,мощности и энергии, угла сдвига фаз; электрического сопротивления, проводимости,емкости, индуктивности и добротности электрических цепей; параметров магнитных полей;магнитных характеристик материалов.

9. Радиоэлектронные измерения: интенсивности сигналов; параметровформы и спектра сигналов; параметров трактов с сосредоточенными и распределеннымипостоянными; свойств веществ и материалов радиотех-ническими методами; антенные.

10. Измерения акустических величин: акустические — в воздушнойсреде и в газах; акустические — в водной среде; акустические — в твердых телах;аудиометрия и измерения уровня шума.

11. Оптические и оптико-физические измерения: световые, измеренияоптических свойств материалов в видимой области спектра; энергетических параметровнекогерентного оптического излучения; энергетических параметров пространственногораспределения энергии и мощности непрерывного и импульсного лазерного и квазимонохроматическогоизлучения; спектральных, частотных характерстик, поляризации лазерного излучения;параметров оптических элементов, оптических характеристик материалов; характеристикфотоматериалов и оптической плотности.

12. Измерения ионизирующих излучений и ядерных констант:дозиметрических характеристик ионизирующих излучений; спектральных характеристикионизирующих излучений; активности радионуклидов; радиометрических характеристикионизирующих излучений.

Вквалиметрии (разделе метрологии), посвященной измерению качества, не принято делениепоказателей качества на основные и производные. Здесь выделяются единичные и комплексныепоказатели качества. При этом единичные относятся к одному из свойств продукции,а комплексные характеризуют сразу несколько из свойств.

Размерность измеряемой величины является качественной еехарактеристикой и обозначается символом dim, происходящим от слова dimension. Размерностьосновных физических величин обозначается соответствующими заглавными буквами. Например,для длины, массы и времени dim l = L; dim m = M; dim t = T.

При определении размерности производных величин руководствуютсяследующими правилами [47]:

1. Размерности левой и правой частей уравнений не могут несовпадать, так как сравниваться между собой могут только одинаковые свойства. Объединяялевые и правые части уравнений, можно прийти к выводу, что алгебраически суммироватьсямогут только величины, имеющие одинаковые размерности.

2. Алгебра размерностей мультипликативна, т. е. состоит изодного единственного действия — умножения.

2.1. Размерность произведения нескольких величин равна произведе­ниюих размерностей. Так, если зависимость между значениями величин Q, А, В, С имеетвид Q = А × В× С, то

dim Q = dim A × dim B × dim C.

2.2. Размерность частного при делении одной величины на другуюравна отношению их размерностей, т. е. если Q = А/В, то

dim Q = dim A/dim B.

2.3. Размерность любой величины, возведенной в некоторуюстепень, равна ее размерности в той же степени. Так, если Q = Аn, то

dim Q = />.

Например, если скорость определять по формуле V = l / t,то dim V = dim l/dim t = L/Т = LТ-1. Если сила по второму закону Ньютона F = m×а, где а = V/ t — ускорение тела,то dim F = dim m × dim а = МL/Т2 = MТ-2.

Таким образом,всегда можно выразить размерность производной физической величины через размерностиосновных физических величин с помощью степенного одночлена:

dim Q = LaMbTg …,

где L, М, Т,… — размерности соответствующих основныхфизических величин; a,b, g, … — показатели размерности. Каждый из показателей размерностиможет быть положительным или отрицательным, целым или дробным числом, нулем. Есливсе показатели размерности равны нулю, то такая величина называется безразмерной.Она может быть относительной, определяемой как отношение одноименных величин (например,относительная диэлектрическая проницаемость), и логарифмической, определяемой каклогарифм относительной величины (например, логарифм отношения мощностей или напряжений).В гуманитарных науках, искусстве, спорте, квалиметрии, где номеклатура основныхвеличин не определена, теория размерностей не находит пока эффективного применения.

Размер измеряемой величины является количественной ее характеристикой.Получениеинформации о размере физической или нефи-зической величины является содержаниемлюбого измерения.

Втеории измерений принято, в основном, различать пять типов шкал: наименований, порядка,разностей (интервалов), отношений и абсолютные.

Шкалынаименований характеризуются только отношением эквивалентности (равенства). Примеромтакой шкалы является распространённая классификация (оценка) цвета по наименованиям(атласы цветов до 1000 наименований).

Шкалыпорядка — это расположенные в порядке возрастания или убывания размеры измеряемойвеличины. Расстановка размеров в порядке их возрастания или убывания с целью полученияизмерительной информации по шкале порядка называется ранжированием. Для облегченияизмерений по шкале порядка некоторые точки на ней можно зафиксировать в качествеопорных (реперных). Недостатком реперных шкал является неопределённость интерваловмежду реперными точками. Поэтому баллы нельзя складывать, вычислять, перемножать,делить и т.п. Примерами таких шкал являются: знания студентов по баллам, землетрясенияпо 12 балльной системе, сила ветра по шкале Бофорта, чувствительность плёнок, твёрдостьпо шкале Мооса и т.д.

Шкалыразностей (интервалов) отличаются от шкал порядка тем, что по шкале интервалов можноуже судить не только о том, что размер больше другого, но и на сколько больше. Пошкале инрервалов возможны такие математические действия, как сложение и вычитание.Характерным примером является шкала интервалов времени, поскольку интервалы времениможно суммировать или вычитать, но складывать, например, даты каких-либо событийне имеет смысла.

Шкалыотношений описывают свойства, к множеству самих коли-чественных проявлений которыхприменимы отношения эквивалентности, порядка и суммирования, а следовательно, вычитанияи умножения. В шкале отношений существует нулевое значение показателя свойства.Примером является шкала длин. Любое измерение по шкале отношений заключается в сравнениинеизвестного размера с известным и выражении первого через второй в кратном илидольном отношении.

Абсолютныешкалы обладают всеми признаками шкал отношений, но в них дополнительно существуетестественное однозначное определение единицы измерения. Такие шкалы соответствуютотносительным величинам (отношения одноимённых физических величин, описываемах шкаламиотношений). К таким величинам относятся коэффициент усиления, ослабления и т. п.Среди этих шкал существуют шкалы, значения которых находятся в пределах от 0 до1 (коэффициент полезного действия, отражения и т.п.).

Измерение (сравнение неизвестногос известным) происходит под влиянием множества случайных и неслучайных, аддитивных(прибавляемых) и мультипликативных (умножаемых) факторов, точный учёт которых невозможен,а результат совместного воздействия непредсказуем. Основной постулат метрологии — отсчёт- является случайным числом. Математическая модель измеренияпо шкале сравнения имеет вид

/>, (3.1)

гдеq- результат измерения (числовое значение величины Q); Q — значение измеряемой величины;[Q] – единица данной физической величины; V — масса тары (например, при взвешивании);U — слагаемая от аддитивного воздействия

 Q= q×[Q]- U×[Q]- V. (3.2)

При однократном измерении

 Qi= qi×[Q]+ qi,(3.3)

гдеqi×[Q]- результат измерения (однократного);

 qi= — U×[Q]– V — суммарная поправка.

Значение измеряемой величины примногократном измерении

 />/>. (3.4)

3.3.2. Международная система единиц физических величин

Когерентная,или согласованная Международная система единиц физических величин (SI) принята в1960 г. XI Генеральной конференцией по мерам и весам. По этой системе предусмотреносемь основных единиц (метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, кандела и моль)и две дополнительные (для плоского угла радиан и для телесного угла — стерадиан).Все остальные физические величины могут быть получены как производ-ные основных.Основные и дополнительные единицы системы SI приведены в табл 3.1.

Вкачестве эталона единицы длины утверждён метр, который равен длине пути, проходимогосветом в вакууме за 1/299.792.458 долю секунды.

Таблица 3.1

Основныеи дополнительные единицы системы SI

Величина Единица Наименование Размерность Наименование Обозначение Международное Русское Основные Длина L Метр m м Масса M Килограмм kg кг Время T Секунда s с Сила электрического тока I Ампер A А Термодинамическая температура q Кельвин K К Количество вещества N Моль mol моль Сила света J Кандела cd кд Дополнительные Плоский угол Радиан rad рад Телесный угол Стерадиан cr ср

Эталонединицы массы — килограмм — представляет собой цилиндр из сплава платины (90%) ииридия (10%), у которого диаметр и высота примерно одинаковы (около 30 мм).

Заединицу времени принята секунда, равная 9.192.631.770 периодам излучения, соответствующегопереходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

Эталономединицы силы тока принят ампер — сила неизменяю-щегося во времени электрическоготока, который, протекая в вакууме по двум параллельным прямолинейным проводникамбесконечной длины и ничтожно малой площади круглого поперечного сечения, расположеннымодин от другого на расстоянии 1 м, создаёт на каждом участке проводника длиной 1м силу взаимодействия 2×10-7 Н.

Единицейтермодинамической температуры является кельвин, составляющий 1/273,16 часть термодинамическойтемпературы тройной точки воды.

Заэталон количества вещества принят моль — количество вещества системы, содержащейстолько же структурных элементов частиц, сколько атомов содержится в 12 г углерода-12(1 моль углерода имеет массу 2 г, 1 моль кислорода — 32 г, а 1 моль воды — 18 г).

Эталонединицы света – кандела — представляет собой силу света в заданном направлении источника,испускающего монохроматическое излучение частотой 540×1012Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.

Радиан равен углу между двумя радиусами окружности, дугамежду которыми по длине равна радиусу.

Стерадианравен телесному углу с вершиной в центре сферы, вырезающему на поверхности сферыплощадь, равную площади квадрата со стороной, по длине равной радиусу сферы.

3.3.3. Методы измерений

Измерение- получение информации о размере физической или нефизической величины.

Приизмерениях приходится иметь дело с различными физическими величинами: дискретнымии непрерывными, случайными и неслучайными, постоянными и переменными, зависимымии независимыми.

Методизмерения (по ГОСТу 16263-70) — это совокупность приёмов использования принципови средств измерений, при которых происходит процесс измерения.

1) По характеру зависимости измеряемой величины от времениизмерения методы измерений подразделяются на:

статические, при которых измеряемая величина остается постояннойво времени;

динамические, в процессе которых измеряемая величина изменяетсяи является непостоянной во времени.

Статическимиизмерениями являются, например, измерения размеров тела, постоянного давления; динамическими- измерения пульсирующих давлений, вибраций.

2) По способу получения результатов измерений (виду уравненияизмерений) методы измерений разделяют на прямые, косвенные, совокупные и совместные.

Припрямом измерении искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных,например, измерение угла угломером или измерение диаметра штангенциркулем.

Прикосвенном измерении искомое значение величины определяют на основании известнойзависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям,например, определение среднего диаметра резьбы с помощью трёх проволочек или углас помощью синусной линейки.

Совместныминазывают измерения, производимые одновременно (прямые или косвенные) двух или несколькихнеодноимённых величин. Целью совместных измерений является нахождение функциональнойзависимости между величинами, например, зависимости длины тела от температуры, зависимостиэлектрического сопротивления проводника от давления и т.п.

Совокупные- это такие измерения, в которых значения измеряемых величин находят по данным повторныхизмерений одной или нескольких одноименных величин при различных сочетаниях мерили этих величин. Результаты совокупных измерений находят путём решения системыуравнений, составляемых по результатам нескольких прямых измерений. Например, совокупнымиявляются измерения, при которых массы отдельных гирь набора находят по известноймассе одной из них и по результатам прямых сравнений масс различных сочетаний гирь.

3) По условиям, определяющим точность результата измерения,методы делятся на три класса.

Измерения максимально возможной точности, достижимой присуществующем уровне техники. К ним относятся в первую очередь эталонные измерения,связанные с максимально возможной точностью воспроизведения установленных единицфизических величин, и, кроме того, измерения физических констант, прежде всего универсальных(например, абсолютного значения ускорения свободного падения и др.).

К этому же классу относятся и некоторые специальные измерения,требующие высокой точности.

Контрольно-поверочные измерения, погрешность которых с определеннойвероятностью не должна превышать некоторое заданное значение. К ним относятся измерения,выполняемые лабораториями государствен-ного надзора за внедрением и соблюдениемстандартов и состоянием измерительной техники и заводскими измерительными лабораториямис погрешностью заранее заданного значения.

Технические измерения, в которых погрешность результата определяетсяхарактеристиками средств измерений. Примерами технических измерений являются измерения,выполняемые в процессе производства на машиностроительных предприятиях, на щитахраспределительных устройств электрических станций и др.

4)По способу получения значений измеряемых величин различают два основных метода измерений:метод непосредственной оценки и метод сравнения с мерой.

Методнепосредственной оценки — метод измерения, при котором значение величины определяютнепосредственно по отсчётному устройству измерительного прибора прямого действия(например, измерение длины с помощью линейки или размеров деталей микрометром, угломероми т.д.).

Методсравнения с мерой — метод измерения, при котором измеряемую величину сравниваютс величиной, воспроизводимой мерой. Например, для измерения диаметра калибра микрокаторустанавливают на нуль по блоку концевых мер длины, а результаты измерения получаютпо отклонению стрелки микрокатора от нуля, т.е. сравнивается измеряемая величинас размером блока концевых мер. О точности размера судят по отклонению стрелки микрокатораотносительно нулевого положения.

Существуютнесколько разновидностей метода сравнения:

методпротивопоставления, при котором измеряемая величина и величина, воспроизводимаямерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения;

дифференциальныйметод, при котором измеряемую величину сравнивают с известной величиной, воспроизводимоймерой. Этим методом, например, определяют отклонение контролируемого диаметра деталина оптиметре после его настройки на нуль по блоку концевых мер длины;

нулевойметод, при котором результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнениядоводят до нуля. Подобным методом измеряют электрическое сопротивление по схемемоста с полным его уравновешиванием;

методсовпадений, при котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимоймерой, определяют, используя совпадения отметок шкал или периодических сигналов(например, при измерении штангенциркулем используют совпадение отметок основнойи нониусной шкал).

5)При измерении линейных величин независимо от рассмотренных методов различают контактныйи бесконтактный методы измерений.

6)По способу выражения результатов измерений различаютабсолютные и относительные измерения.

Абсолютноеизмерение основано на прямых измерениях величины и (или) использовании значенийфизических констант, например, измерение размеров деталей щтангенциркулем или микрометром.

Приотносительных измерениях величину сравнивают с одноименной, играющей роль единицыили принятой за исходную, например, измерение диаметра вращающейся детали по числуоборотов соприкасаю-щегося с ней аттестованного ролика.

7)В зависимости от совокупности измеряемых параметров изделия различают поэлементныйи комплексный методы измерения.

Поэлементныйметод характеризуется измерением каждого параметра изделия в отдельности (например,эксцентриситета, овальности, огранки цилиндрического вала).

Комплексныйметод характеризуется измерением суммарного показателя качества, на который оказываютвлияние отдельные его составляющие (например, измерение радиального биения цилиндрическойдетали, на которое влияют эксцентриситет, овальность и др.).

8)В зависимости от измерительных средств, используемых в процессе измерения, различаютинструментальный, экспертный, эвристический и органолептический методы измерений.

Инструментальныйметод основан на использовании специальных технических средств, в том числе автоматизированныхи автоматических.

Экспертныйметод основан на использовании данных нескольких специалистов. Широко применяетсяв квалиметрии, спорте, искусстве, медицине.

Эвристическиеизмерения основаны на интуиции. Широко используется способ попарного сопоставления,когда измеряемые величины сначала сравниваются между собой попарно, а затем производитсяранжирование на основании результатов этого сравнения.

Органолептическиеизмерения основаны на использовании органов чувств человека (осязания, обаняния,зрения, слуха и вкуса). Часто используются измерения на основе впечатлений (конкурсымастеров искусств, соревнования спортсменов).

3.3.4.Виды контроля

Контроль- это процесс получения и обработки информации об объекте (параметре детали, механизма,процесса и т. д.) с целью определения его годности или необходимости введения управляющихвоздействий на факторы, влияющие на объект.

 Классификациявидов контроля [49]

1)По возможности (или невозможности) использования продукции после выполнения контрольныхопераций различают неразрушающий и разрушающий контроль.

 Принеразрушающем контроле соответствие контролируемого размера (или значения) нормеопределяется по результатам взаимодействия различных физических полей и излученийс объектом контроля. Интенсивность полей и излучений выбирается такой, чтобы нетолько не про-исходило разрушений объекта контроля, но и не менялись его свойстваво время контроля. В зависимости от природы физических полей и излучений виды неразрушающегоконтроля разделяются на следующие группы: акустические, радиационные, оптические,радиоволновые, тепловые, магнитные, вихревые, электрические, проникающих веществ.

Приразрушающем контроле определение соответствия (или несоответствия) контролируемогоразмера (или значения) норме сопровождается разрушением изделия (объекта контроля),например, при проверке изделия на прочность.

2)По характеру распределения по времени различают непрерывный, периодический и летучийконтроль.

Непрерывныйконтроль состоит в непрерывной проверке соответствия контролируемых размеров (илизначений) нормам в течение всего процесса изготовления или определённой стадии жизненногоцикла.

Припериодическом контроле измерительную информацию получают периодически через установленныеинтервалы времени t. Период контроля tможет быть как меньше, так и больше времени одной технологической операции tоп.Если t= tоп,то периодический контроль становится операционным (или послеоперационным).

Летучийконтроль проводят в случайные моменты времени.

3)В зависимости от исполнителя контроль разделяется на: самоконтроль, контроль мастером,контроль ОТК (отделом технического контроля) и инспекционный контроль (специальноуполномоченными представителями). Инспекционный контроль в зависимости от того,какая организация уполномочила представителя проводить контроль подразделяется на:ведомственный, межведомственный, вневедомственный, государственный (выполняемыйконтролёрами Госстандарта).

4)По стадии технологического (производственного) процесса отличают входной, операционныйи приёмочный (приёмосдаточный) контроль.

Входномуконтролю подвергают сырьё, исходные материалы, полуфабрикаты, комплектующие изделия,техническую документацию и т.п., иначе говоря, всё то, что используется при производствепродукции или её эксплуатации.

Операционныйконтроль ещё незавершённой продукции проводится на всех операциях производственногопроцесса.

Приёмочныйконтроль готовых, сборочных и монтажных единиц осуществляется в конце технологическогопроцесса.

5)По характеру воздействия на ход производственного (технологического) процесса контрольделится на активный и пассивный.

Приактивном контроле его результаты непрерывно используются для управления технологическимпроцессом. Можно сказать, что активный контроль совмещён с производственным процессомв единый контрольно-технологический процесс. Как правило, он выполняется автоматически.

Пассивныйконтроль осуществляется после завершения либо отдельной технологической операции,либо всего технологического цикла изготовления детали или изделия. Он может батьручным, автоматизированным и автоматическим.

6)В зависимости от места проведения различают подвижный и стационарный контроль.

Подвижныйконтроль проводится непосредственно на рабочих местах, где изготавливается продукция(у станка, на сборочных и настроечных стендах и т.д.).

Стационарныйконтроль проводится на специально оборудованных рабочих местах. Он применяется принеобходимости создания специальных условий контроля; при наличии возможности включенияв технологический цикл стационарного рабочего места контролёра; при использованиисредств контроля, которые применяются только в стационарных условиях; при крупносерийноми массовом производстве.

7)По объекту контроля отличают контроль качества выпускаемой продукции, товарной исопроводительной документации, технологического процесса, средств технологическогооснащения, прохождения рекламации, соблюдения условий эксплуатации, а также контрольтехнологической дисциплины и квалификации исполнителей.

8)По числу измерений отличают однократный и многократный контроль.

9)По способу отбора изделий, подвергаемых контролю, отличают сплошной и выборочныйконтроль.

Сплошной(стопроцентный) контроль всех без исключения изготовленных изделий применяется прииндивидуальном и мелкосерийном производстве, на стадии освоения новой продукции,по аварийным параметрам (размерам), при селективной сборке.

Выборочныйконтроль проводится во всех остальных случаях, чаще всего при крупносерийном и массовомпроизводстве. Для сокращения затрат на контроль большой партии изделий (которуюв математической статистике принято называть генеральной совокупностью) контролюподвергается только часть партии – выборка, формируемая по определённым правилам,обеспечивающим случайный набор изделий. Если число бракованных изделий в выборкепревышает установленную норму, то вся партия (генеральная совокупность) бракуется.

Подробнеео выборочном приемочном и текущем контроле изложено в [48].

3.3.5. Методика выполнения измеренийОсновная потеря точности при измеренияхпроисходит не за счёт возможной метрологической неисправности применяемых средствизмерений, а в первую очередь за счёт несовершенства методов и методик выполненияизмерений.В целом точность измерения зависитот: точности применяемого средства измерения; точности метода измерения; влияниявнешних факторов. Например, при измерении массы материала, движущегося по транспортёру,точность базового устройства обычно в 10 — 20 раз выше общей точности взвешиваниямассы; при поверке ртутных термометров следует учитывать точность „считывания“показаний.

Подметодикой измерения понимают совокупность методов, средств, процедур, условий подготовкии проведения измерений, а также правил обработки экспериментальных данных при выполненииконкретных измерений.

ПоЗакону РФ “Об обеспечении единства измерений” измерения должны осуществляться всоответствии с аттестованными в установленном порядке методиками.

Разработкаметодик выполнения измерений должна включать:

анализтехнических требований к точности измерений, изложенных в стандарте, техническихусловий или технических заданий;

определениеконкретных условий проведения измерений;

выбориспытательного и вспомогательного оборудования, а также средств измерений;

разработкупри необходимости нестандартных средств измерений;

исследованиевлияния условий проведения измерений и подготовки испытуемых объектов к измерениям;

определениепорядка подготовки средств измерений к работе, последовательности и количества измерений;

разработкуили выбор алгоритма обработки экспериментальных данных и правил оформления результатовизмерения.

Нормативно-техническимидокументами (НТД), регламентирующими методику выполнения измерений являются:

1.Государственные стандарты или методические указания Госстандарта России по методикамвыполнения измерений. Стандарт разрабатывается в том случае, если применяемые средстваизмерений внесены в Государственный реестр средств измерений.

2.Отраслевые методики выполнения измерений, используемые в одной отрасли.

3.Стандарты предприятий на методики выполнения измерений, используемые на одном предприятии.

В НТД наметодики выполнения измерений предусматриваются: нормы точности измерений; спецификаизмеряемой величины (диапазон, наименование продукции и т.д.); максимальная автоматизацияизмерений и обработки данных.

Методикивыполнения измерений перед их вводом в действие должны быть аттестованы или стандартизованы.Аттестация включает в себя: разработку и утверждение программы аттестации; выполнениеисследований в соответствии с программой; составление и оформление отчёта об аттестации;оформление аттестата методики выполнения измерений.

При аттестации должна быть проверенаправильность учёта всех факторов, влияющих на точность измерений, установлена достоверностьих результатов. Аттестацию методик выполнения измерений проводят государственныеи ведомственные метрологические службы. При этом государственные метрологическиеслужбы проводят аттестацию методик особо точных, ответственных измерений, а такжеизмерений, проводимых в организациях Госстандарта России.

Стандартизацияметодик применяется для измерений, широко применяемых на предприятиях.

Методикивыполнения измерений периодически пересматриваются с целью их усовершенствования.

3.4. Средства измерений

Средствоизмерения — это техническое устройство, используемое при измерениях и имеющее нормированныеметрологические свойства.

3.4.1. Виды средств измерений

Техническиеустройства, предназначенные для обнаружения (индикации) физических свойств, называютсяиндикаторами (стрелка компаса, лакмусовая бумага). С помощью индикаторов устанавливаетсятолько наличие измеряемой физической величины интересующего нас свойства материи.

Пометрологическому назначению средства измерений делятся на образцовые и рабочие.

Образцовыепредназначены для поверки по ним других средств измерений как рабочих, так и образцовыхменее высокой точности.

Рабочиесредства измерений предназначены для измерения размеров величин, необходимых в разнообразнойдеятельности человека.

Сущностьразделения средств измерений на образцовые и рабочие состоит не в конструкции ине в точности, а в их назначении.

К средствамизмерения относятся:

1.Меры, предназначеные для воспроизведения физической величины заданного размера.Различают однозначные и многозначные меры, а также наборы мер (гири, кварцевые генераторыи т. п.). Меры, воспроизводящие физические величиныодного размера, называются однозначными. Многозначные меры могут воспроизводитьряд размеров физической величины, часто даже непрерывно заполняющих некоторый промежутокмежду определенными границами. Наиболее распространенными многозначными мерами являютсямиллиметровая линейка, вариометр и конденсатор переменной емкости.

В наборахи магазинах отдельные меры могут объединяться в различных сочетаниях для воспроизведениянекоторых промежуточных или суммарных, но обязательно дискретных размеров величин.В магазинах объединены в одно механическое целое, снабженное специальными переключателями,которые связаны с отсчетными устройствами. В противоположность этому набор состоитобычно из нескольких мер, которые могут выполнять свои функции, как в отдельности,так и в различных сочетаниях друг с другом (набор концевых мер длины, набор гирь,набор мер добротности и индуктивности и т. д.).

Сравнениес мерой выполняют с помощью специальных технических средств — компараторов (равноплечиевесы, измерительный мост и т. п.).

К однозначным мерам относятся также образцы и образцовыевещества. Стандартные образцы состава и свойств веществ и материалов представляютсобой специально оформленные тела или пробы вещества определенного и строго регламентированногосодержания, одно из свойств которых при определенных условиях является величинойс известным значением. К ним относятся образцы твердости, шероховатости, белой поверхности,а также стандартные образцы, используемые при поверке приборов для определения механическихсвойств материалов. Образцовые вещества играют большую роль в создании реперныхточек при осуществлении шкал. Например, чистый цинк служит для воспроизведения температуры419,58 °С, золото — 1064,43 °С.

В зависимости от погрешности аттестации меры подразделяютсяна разряды (меры 1, 2-го и т. д. разрядов), а погрешность мер является основой ихделения на классы. Меры, которым присвоен тот или иной разряд, применяются для поверкиизмерительных средств и называются образцовыми.

2.Измерительные преобразователи — это средства измерений, перерабатывающие измерительнуюинформацию в форму, удобную для дальнейшего преобразования, передачи, хранения иобработки, но, как правило, не доступную для непосредственного восприятия наблюдателем(термопары, измерительные усилители и др.).

Преобразуемая величина называется входной, а результат преобразования- выходной величиной. Соотношение между ними задается функцией преобразования (статическойхарактеристикой). Если в результате преобразования физическая природа величины неизменяется, а функция преобразования является линейной, то преобразователь называетсямасштабным, или усилителем, (усилители напряжения, измерительные микроскопы, электронныеусилители). Слово “усилитель” обычно употребляется с определением, которое приписываетсяему в зависимости от рода преобразуемой величины (усилитель напряжения, гидравлическийусилитель) или от вида единичных преобразований, происходящих в нем (ламповый усилитель,струйный усилитель). В тех случаях, когда в преобразователе входная величина превращаетсяв другую по физической природе величину, он получает название по видам этих величин(электромеханический, пневмоемкостный и так далее).

По месту,занимаемому в приборе, преобразователи подразделяются на (рис. 3.1): первичные,к которым подводится непосредственно измеряемая физическая величина; передающие,на выходе которых образуются величины, удобные для их регистрации и передачи нарасстояние; промежуточные, занимающие в измерительной цепи место после первичных.

3.Измерительные приборы относятся к средствамизмерений, предназначенным для получения измерительной информации о величине, подлежащейизмерению, в форме, удобной для восприятия наблюдателем.

Наибольшее распространение получили приборы прямого действия,при использовании которых измеряемая величина подвергается ряду последовательныхпреобразований в одном направлении, т.е. без возвращения к исходной величине. Кприборам прямого действия относится большинство манометров, термометров, амперметров,вольтметров и т. д.

Значительно большими точностными возможностями обладают приборысравнения, предназначенные для сравнения измеряемых величин с величинами, значениякоторых известны. Сравнение осуществляется с помощью компенсационных или мостовыхцепей. Компенсационные цепи применяются для сравнения активных величин, т. е. несущихв себе некоторый запас энергии (сил, давлений и моментов сил, электрических напряженийи токов, яркости источников излучения и т. д.). Сравнение проводится путем встречноговключения этих величин в единый контур и наблюдения их разностного эффекта. По этомупринципу работают такие приборы, как равноплечие и неравноплечие весы (сравнениена рычаге силовых эффектов действия масс), грузопоршневые и грузопружинные манометрическиев вакуумметрические приборы (сравнение на поршне силовых эффектов измеряемого давленияи мер массы) и др.

Для сравненияпассивных величин (электрические, гидравлические, пневматические и другие сопротивления)применяются мостовые цепи типа электрических уравновешенных или неуравновешенныхмостов. Конечно, пассивные величины могут быть вначале преобразованы в активныеили наоборот и сравниваться соответственно в компенсационных или мостовых цепях.

По способу отсчета значений измеряемых величин приборы подразделяютсяна показывающие, в том числе аналоговые и цифровые, и на регистрирующие.

Наибольшее распространение получили аналоговые приборы, отсчетныеустройства которых состоят из двух элементов — шкалы и указателя, причем один изних связан с подвижной системой прибора, а другой — с корпусом. В цифровых приборахотсчет осуществляется с помощью механических, электронных или других цифровых отсчетныхустройств. Цифровые приборы прямого действия применяются наиболее часто в тех случаях,когда измеряемая величина предварительно легко преобразуется в угол поворота некотороговала (лопастные счетчики) или в последовательность импульсов (регистрация радиоактивныхизлучений).

По способу записи измеряемой величины, регистрирующие приборыделятся на самопишущие и печатающие. В самопишущих приборах (например, барографили шлейфовый осциллограф) запись показаний представляет собой график или диаграмму.В печатающих приборах информация о значении измеряемой величины выдается в числовойформе на бумажной ленте.

Автоматическиеприборы сравнения выпускаются чаще всего в виде комбинированных приборов, в которыхшкальный или цифровой отсчет сочетается с записью на диаграмме или с печатаниемрезультатов измерений.

4. Вспомогательные средства измерений. К этой группе относятсясредства измерений величин, влияющих на метрологические свойства другого средстваизмерений при его применении или поверке. Показания вспомогательных средств измеренийиспользуются для вычисления поправок к результатам измерений (например, термометровдля измерения температуры окружающей среды при работе с грузопоршневыми манометрами)или для контроля за поддержанием значений влияющих величин в заданных пределах (например,психрометров для измерения влажности при точных интерференционных измерениях длин).

5.Измерительные установки. Для измерения какой-либовеличины или одновременно нескольких величин иногда бывает недостаточно одного измерительногоприбора. В этих случаях создают целые комплексы расположенных в одном месте и функциональнообъединенных друг с другом средств измерений (мер, преобразователей, измерительныхприборов и вспомогательных средств), предназначенных для выработки сигнала измерительнойинформации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем.

6.Измерительные системы — это средства и устройства, территориально разобщённые исоединённые каналами связи. Информация может быть представлена в форме, удобнойкак для непосредственного восприятия, так и для автоматической обработки, передачии использования в автоматизированных системах управления.

3.4.2. Измерительные сигналы [5]

В рамкахединой измерительной системы информация о значении физических величин передаетсяот одного средства измерения к другому с помощью сигналов.

Наиболеечасто в качестве сигналов используются:

сигналыпостоянного уровня (постоянные электрические токи и напряжения, давление сжатоговоздуха, световой поток);

синусоидальныесигналы (переменный электрический ток или напряжение);

последовательность прямоугольных импульсов (электрическихили световых).

Сигнал характеризуется рядом параметров. В первом случаеединственным параметром сигнала является его уровень. Синусоидальный сигнал характеризуетсясвоей амплитудой, фазой и частотой, последовательность прямоугольных импульсов — амплитудой, фазой, частотой, шириной импульсов или комбинацией импульсов различногоуровня в течение определенного промежутка времени.

Для того, чтобы исходный сигнал стал измерительным, необходимоодин из его параметров связать функциональной зависимостью с измеряемой физическойвеличиной. Параметр сигнала, выбранный в качестве такового, называется информативным,а все остальные параметры — неинформативными. Процесс преобразования исходного сигналав измерительный, т. е. преобразование одного из параметров исходного сигнала, генерируемогонекоторым источником, в информативный параметр, называется модуляцией. В зависимостиот вида модуляции измерительные сигналы можно классифицировать следующим образом.

Сигналы постоянногоуровня характеризуются лишь одним параметром и поэтому могут быть модулированы толькопо уровню. Уровень сигнала явля­ется при этом мерой измеряемой величины.

Синусоидальныесигналы могут быть модулированы по амплитуде, фазе или частоте. В зависимости оттого, который из этих параметров сигнала является мерой измеряемой величины, говорятоб амплитудно-модулированных, фазомодулированных или частотно-модулированных сигналах.

Последовательностьпрямоугольных импульсов может быть модулирована по амплитуде (амплитудно-импульсномодулированные сигналы), по частоте (частотно-импульсно модулированные сигналы),по фазе (фазоимпульсно модулированные сигналы) или по ширине импульсов (широтно-импульсномодулированные сигналы). Сигнал, в котором различным значениям измеряемой величиныпоставлена в соответствие определенная комбинация импульсов различного уровня, называетсякодоимпульсным, или цифровым.

В зависимостиот характера изменения информативного параметра сигнала по уровню и во времени измерительныесигналы подразделяются на:

непрерывныепо уровню, или аналоговые, если их информативный параметр может принимать любыезначения в заданном диапазоне;

дискретные,или квантованные по уровню, если их информативный параметр может принимать, лишьнекоторое ограниченное число значений в пределах заданного интервала;

непрерывныево времени, если они существуют в течение всего времени измерения и в любой моментможет быть выведен на регистрацию;

дискретизированные,или квантованные по времени, если они несут информацию о значении измеряемой физическойвеличины, лишь в течение некоторых промежутков времени. К этой группе относятся,например, все виды импульсно-модулированных сигналов.

При анализе измерительных сигналов их принято описывать либофункциями времени, либо с помощью спектральных представлений, основанных на преобразованияхФурье и Лапласа.

3.4.3. Метрологические показатели средств измерений

Привыборе средства измерения в зависимости от заданной точности изготовления деталейнеобходимо учитывать их метрологические показатели. К ним относятся:

1.Длина деления шкалы — это расстояние между серединами двух соседних отметок (штрихов,точек и т.п.) шкалы.

2.Цена деления шкалы — это разность значений величин, соответствующих двум соседнимотметкам шкалы (у микрометра она равна 0,01мм) .

3.Градуировочная характеристика — зависимость между значениями величин на выходе ивходе средства измерений. Градуировочную характеристику снимают для уточнения результатовизмерения. К ним относятся, например, номинальнаястатическая характеристика преобразования измерительного преобразователя, номинальноезначение однозначной меры, пределы и цена деления шкалы, виды и параметры цифровогокода средств измерений, предназначенных для выдачи результатов в цифровом коде.

4.Диапазон показаний — область значений шкалы, ограниченная конечным и начальным значениямишкалы, т. е. наибольшим и наименьшим значениями измеряемой величины. Например, дляоптиметра ИКВ-3 диапазон показаний составляет ±0,1мм.

5.Диапазон измерений — область значений измеряемой величины с нормированными допускаемымипогрешностями средства измерения. Для того же оптиметра он составляет 0-200мм.

6.Чувствительность прибора — отношение изменения сигнала на выходе измерительногоприбора к изменению измеряемой величины (сигнала на входе). Так, если при измерениидиаметра вала d=100мм. Изменение измеряемой величины Dd=0,01ммвызвало перемещение стрелки показывающего устройства на Dl=10мм,абсолютная чувствительность прибора составляет S=Dl/Dd=10/0,01=1000.Для шкальных измерительных приборов абсолютная чувствительность численно равна передаточномуотношению.

7.Вариация (нестабильность) показаний прибора — алгебраическая разность между наибольшими наименьшим результатами измерений при многократном измерении одной и той же величиныв неизменных условиях.

8.Стабильность средства измерений — свойство, выражающее неизменность во времени егометрологических характеристик (показаний).

3.4.4. Метрологические характеристикисредств измерений

Все средства измерений, независимо от их исполнения, имеютряд общих свойств, необходимых для выполнения ими функционального назначения. Техническиехарактеристики, описывающие эти свойства и оказывающие влияние на результаты и погрешностиизмерений, называются метрологическими характеристиками средств измерений.

В зависимостиот специфики и назначения средств измерений нормируются различные наборы или комплексыметрологических характеристик. Однако эти комплексы должны быть достаточны для учетасвойств средств измерений при оценке погрешностей измерений.

Метрологические характеристики, входящие в установленныйкомплекс, выбирают такими, чтобы обеспечить возможность их контроля при приемлемыхзатратах. В эксплуатационной документации на средства измерений указывают рекомендуемыеметоды расчета инструментальной составляющей погрешности измерений при использованиисредств измерения данного типа в реальных условиях применения.

По ГОСТу 8.009 – 84 “ГСИ. Нормируемые метрологические характеристикисредств измерений” предусмотрена следующая номенклатура метрологических характеристик:

1). Характеристики, предназначенные для определения результатовизмерений (без введения поправок):

функция преобразования измерительного преобразователя — f(x);

значение однозначной или многозначной меры – у;

цена деления шкалы измерительного прибора или многозначноймеры;

вид входного кода, число разрядов кода, цена единицы наименьшегоразряда средств измерений, предназначенных для выдачи результатов в цифровом коде.

2). Характеристики погрешностей средств измерений включают:значение погрешности, ее систематические и случайные составляющие, погрешности случайнойсоставляющей DслН от гистерезиса– вариация Н выходного сигнала (показания).

Для систематической составляющей Dсист погрешности средств измерений выбирают характеристикииз числа следующих:

значение систематической систематической составляющей Dсист;

значение систематической составляющей Dсист, математическое ожидание М[Dсист] и среднее квадратическое отклонение s[Dсист]систематической составляющей погрешности.

Для случайной составляющей Dсл погрешности выбирают характеристики из числа следующих:

среднее квадратическое отклонение s[Dсл]случайной составляющей погрешности;

среднее квадратическое отклонение s[Dсл]случайной составляющей погрешности и нормализованная автокорреляционная функцияrDсл(t) или функция спектральной плотности SDсл(w) случайной составляющей погрешности.

В нормативно-техническойдокументации на средства измерений конкретных видов или типов допускается нормироватьфункции или плотности распределения вероятностей систематической и случайной составляющихпогрешности.

3. Характеристики чувствительности средств измерений к влияющимвеличинам выбираются из числа следующих:

функция влияния y(x);

изменения e(x)значений метрологических характеристик средства измерения, вызванные изменениемвлияющих величин x вустановленных пределах.

4. Динамические характеристики отражают инерционные свойствасредства измерений при воздействии на него меняющихся во времени величин — параметроввходного сигнала, внешних влияющих величин, нагрузки.

По степениполноты описания инерционных свойств средств измерений динамические характеристикиделятся на полные и частные.

К полнымдинамическим характеристикам относятся:

дифференциальноеуравнение, описывающее работу средства измерений;

передаточнаяфункция;

переходнаяхарактеристика;

импульснаяпереходная характеристика;

амплитудно-фазоваяхарактеристика;

амплитудно-частотнаяхарактеристика для минимально-фазовых средств измерения;

совокупностьамплитудно-фазовых и фозово-частотных характеристик.

Частичнымидинамическими характеристиками могут быть отдельные параметры полных динамическиххарактеристик или характеристики, не отражающие полностью динамических свойств средствизмерений, но необходимые для выполнения измерений с требуемой точностью (например,время реакции, коэффициент демпфирования, значение амплитудно-частотной характеристикина резонансной частоте, значение резонансной собственной круговой частоты). Комплексих оговаривается в соответствующих стандартах.

Нормына отдельные метрологические характеристики приводятся в эксплуатационной документации(паспорте, техническом описании, инструкции по эксплуатации и т. д.) в виде номинальныхзначений, коэффициентов функций, заданных формулами, таблицами или графиками пределовдопускаемых отклонений от номинальных значений функций.

ВГОСТе 8.009 – 84 приведены способы нормирования рассмотренных выше метрологическиххарактеристик.

3.4.5. Классы точности средств измерений

Учётвсех нормируемых метрологических характеристик средств измерений является сложнойи трудоёмкой процедурой. На практике такая точность не нужна. Поэтому для средствизмерений, используемых в повседневной практике, принято деление на классы точности,которые дают их обобщённую метрологическую характеристику.

Требования к метрологическим характеристикам устанавливаютсяв стандартах на средства измерений конкретного типа.

Классыточности присваиваются средствам измерений с учётом результатов государственныхприёмочных испытаний.

Обозначения классов точности наносятся на циферблаты, щиткии корпуса средств измерений, приводятся в нормативно-технических документах. Классыточности могут обозначаться буквами (например, М, С и т. д.) или римскими цифрами(I,II,III и т. д.). Обозначение классов точности по ГОСТу 8.401–80 может сопровождатьсядополнительными условными знаками:

q 0,5, 1,6, 2,5 и т. д.- для приборов,приведенная погрешность g=D/ХN которых составляет 0,5, 1,6,2,5% от нормирующего значения ХN (D — пределы допустимойабсолютной погрешности). При этом ХN принимается равным бо’льшему из модулей пределовизмерений, если нулевое значение входного (выходного) сигнала находится на краюили вне диапазона измерений;

q /> - то же, что и в предыдущем случае,но при ХN равным длине шкалы или ее части;

q  ,, и т. д. — для приборов, у которых относительная погрешность d=D/хсоставляет 0,1, 0,4, 1,0% непосредственно от полученного значения измеряемой величиных;

0,02/0,01- для приборов, у которых измеряемая величина не может отличаться от значения х,показанного указателем, больше, чем на [C + d×

(|Хк¤х|- 1)]%, где С и d — числитель и знаменатель соответственно в обозначении классаточности; Хк – бо'льший (по модулю) из пределов измерений прибора. Примеры обозначенияклассов точности приведены на рис. 3.2.

3.4.6. Метрологическая надёжность средств измерения

Впроцессе эксплуатации любого средства измерения может возникнуть неисправность илиполомка, называемые отказом.

Рис. 3 .2. Лицевые панели приборов: а – вольтметра класса точности 0,5 с равномерной шкалой; б– амперметра класса точности 1,5

 с равномерной шкалой;  в – амперметра класса точности 0,02/0,01 с равномерной шкалой;  г — мегаомметра класса точности           с неравномерной шкалой

  Метрологическаянадёжность — это свойство средств измерений сохранять установленные значения метрологическиххарактеристик в

течение определённоговремени при нормальных режимах и рабочих условиях эксплуатации. Она характеризуетсяинтенсивностью отказов, вероятностью безотказной работы и наработкой на отказ.

Интенсивностьотказов определяется выражением

/> ,

гдеL — число отказов; N — число однотипных элементов; Dt- промежуток времени.

Длясредства измерения, состоящего из n типов элементов, интенсивность отказов

/>,

гдеmi — количество элементов i-го типа.

Вероятностьбезотказной работы />.

Наработкана отказ /> .

Для внезапногоотказа, интенсивность отказов которого не зависит от времени работы средства измерения,

Lсум(t)= Lсум= const; P(t) = exp(-Lсум×t); Tср = L/Lсум.

Межповерочныйинтервал, в течение которого обеспечивается заданная вероятность безотказной работы,определяется по формуле

/> ,

гдеРмо — вероятность метрологического отказа за время между поверками;

 Р(t)- вероятность безотказной работы.

В процессе эксплуатации может производитьсякорректировка межповерочного интервала.

3.4.7. Метрологическая аттестация средств измерений

Под метрологическойаттестацией понимают исследование средства измерений, выполняемое метрологическиморганом с целью определения его метрологических свойств и выдачи соответствующегодокумента с указанием полученных данных.

Порезультатам метрологической аттестации средству измерений приписываются определённыеметрологические характеристики, определяется возможность применения его в качествеобразцового или рабочего средства измерений. В настоящее время под метрологическойаттестацией обычно понимают всестороннее исследование образцовых или нестандартныхсредств измерений, а также стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов.

Нестандартныесредства измерений (НСИ). Установлен порядок метрологического обеспечения эксплуатациинестандартных средств измерений, который распространяется также на:

ввозимыеиз-за границы единичными экземплярами;

единичныеэкземпляры серийных средств измерений, отличающиеся от условий, для которых нормированыих метрологические характеристики;

серийновыпускаемые образцы, в схему и конструкцию которых внесены изменения, влияющие наих метрологические характеристики.

Нестандартнымимогут быть как рабочие, так и образцовые средства измерений.

Задачамиметрологического обеспечения НСИ являются:

1. Исследованиеметрологических характеристик и установление соответствия НСИ требованиям техническихзаданий, либо паспорту (проекту) завода изготовителя.

2.Установление рациональной номенклатуры НСИ.

3.Обеспечение НСИ средствами аттестации, поверки (НТД по поверке) при их разработке,изготовлении и эксплуатации.

4.Обеспечение постоянной пригодности НСИ к применению по назначению с нормированнойдля них точностью.

5.Сокращение сроков и снижение затрат на разработку, изготовление и эксплуатацию.

Научно-методическоеруководство деятельностью предприятий по метрологическому обеспечению НСИ осуществляютголовные и базовые организации метрологической службы министерств (ведомств), метрологическиеинституты, центры стандартизации и метрологии Госстандарта России.

Вновьразработанные или закупленные по импорту НСИ допускаются к применению только послеих метрологической аттестации. Если существует договор о взаимном признании результатоваттестации средств измерений со страной, из которой импорируется НСИ, то аттестацияв России может не проводиться.

Заразработкой, изготовлением и эксплуатацией НСИ ведётся авторский и государственный(в сферах распространения государственного метрологического контроля и надзора)надзор, а также ведомственный конт-роль.

Авторскийконтроль осуществляется разработчиком НСИ совместно с метрологической службой разработчика.Он предусматривает участие в подготовке и проведении метрологической аттестацииНСИ, оказание помощи при разработке нормативно-технической документации и организацииповерки НСИ.

Ведомственныйметрологический контроль за разработкой, изготов-лением, аттестацией и поверкойНСИ проводится метрологическими службами министерства (ведомства).

3.5. Погрешность измерений

Погрешностьизмерений — это отклонение значений величины, найденной путём её измерения, от истинного(действительного) значения измеряемой величины.

Погрешностьприбора — это разность между показанием прибора и истинным (действительным) значениемизмеряемой величины.

Разница междупогрешностью измерения и погрешностью прибора заключается в том, что погрешностьприбора связана с определёнными условиями его поверки.

Погрешностьможет быть абсолютной и относительной.

Абсолютнойназывают погрешность измерения, выраженную в тех же единицах, что и измеряемая величина.Например, 0,4В, 2,5мкм и т. д. Абсолютная погрешность

D= А – Хист » А – Хд,

гдеА — результат измерения; Xист — истинное значение измеряемой величины; Xд — действительноезначение измеряемой величины.

Относительнаяпогрешность измерения представляет собой отношение абсолютной погрешности измеренияк истинному (действительному) значению измеряемой величины и выражается в процентахили долях измеряемой величины:

/>.

В зависимостиот условий измерения погрешности подразделяются на статические и динамические.

Статическойназывают погрешность, не зависящую от скорости изменения измеряемой величины вовремени.

Динамическойназывают погрешность, зависящую от скорости изменения измеряемой величины во времени.Возникновение динамичесой погрешности обусловлено инерционностью элементов измерительнойцепи средства измерений. Динамической погрешностью средства измерений является разностьмежду погрешностью средства измерений в динамических условиях и его статическойпогрешностью, соответствующей значению величины в данный момент времени.

3.5.1. Систематические и случайные погрешности

Систематическойпогрешностью называется погрешность, остающаяся постоянной или закономерно изменяющейсяво времени при повторных измерениях одной и той же величины.

Примеромсистематической погрешности, закономерно изменяющейся во времени, может служитьсмещение настройки прибора во времени.

Случайнойпогрешностью измерения называется погрешность, которая при многократном измеренииодного и того же значения не остаётся постоянной. Например, при измерении валикаодним и тем же прибором в одном и том же сечении получаются различные значения измереннойвеличины.

Систематическиеи случайные погрешности чаще всего появляются одновременно.

Для выявлениясистематической погрешности производят многократные измерения образцовой меры ипо полученным результатам определяют среднее значение размера. Отклонение среднегозначения от размера образцовой меры характеризует систематическую погрешность. которуюназывают „средней арифметической погрешностью“, или „средним арифметическимотклонением“.

Систематическаяпогрешность всегда имеет знак отклонения, т.е. „+“ или „-“.Систематическая погрешность может быть исключена введением поправки.

При подготовке к точным измерениям необходимо убедиться вотсутствии постоянной систематической погрешности в данном ряду измерений. Для этогонужно повторить измерения, применив при этом уже другие средства измерения. По возможностинужно изменить и общую обстановку опыта — производить его в другом помещении, вдругое время суток.

Прогрессивныеи периодические систематические погрешности в противоположность постоянным можнообнаружить при многократных измерениях.

Обработкаданных и оценка параметров случайных погрешностей производится методами математическойстатистики, изложенными в [42, 50].

Прирасчёте предельной погрешности измерения определяют числовое значение погрешностиизмерения от всех составляющих и производят суммирование:

/>,

гдезнаки „+“ или „-“ ставятся из условия, чтобы систематическиеи случайные погрешности суммировались по модулю.

Еслив случайной погрешности известно среднее квадратическое отклонение, то

/> ,

гдеК — показатель, указывающий доверительные границы для предельной случайной погрешностиизмерения (при К=1 р=0,65; при К=2 р=0,945; при К=3 р=0,9973).

Если результатыизмерений зависят от большого числа разнообразных факторов, то

y= F(x1, x2, …..xn) ,

гдеxi — переменные функциональные параметры.

Каждыйпараметр может иметь отклонение Dxi (погрешность) от предписанногозначения xi. Поскольку погрешность Dxi мала по сравнению с величинойxi, суммарная погрешность Dy функции y можно вычислять по формуле/>, (3.1)

где¶y/¶xi- передаточное отношение (коэффициент влияния) параметра xi.

Формула (3.1)справедлива лишь для систематических погрешностей Dxi.

Для случайныхпогрешностей (когда отдельные составляющие не всегда принимают предельные значения)используются теоремы теории вероятностей о дисперсии, то есть

/> . (3.2)

Суммарнаяпогрешность при наличии только случайных составляющих dxiпогрешностей

/>,/>

гдеm — число попарно корреляционно связанных параметров;

 kiи kj — коэффициенты относительного рассеяния, характеризующие степень отличия законараспределения погрешности данного параметра от нормального;

 rij- коэффициент корреляции, существующий при наличии корреляционной связи между параметрамиxi и xj.

При наличиии систематических и случайных составляющих погрешностей вычисляют доверительныеграницы суммарной погрешности:

Dyсум= Dy±k×sy,

где k — масштабныйкоэффициент интервала распределения, зависящий от закона распределения и принятойдоверительной вероятности. Так, при доверительной вероятности Р = 0,95 для законанормального распределения k = 2, а для закона Максвелла k = 3,6.

Пример.В результате измерений и последующего вычисления по формуле (3.1) получена суммарнаясистематическая погрешность результата измерения Dy =

-0,7мкм, среднее квадратическое этого результата измерения, вычисленное по формуле (3.2)sy= 0,4 мкм. При доверительной вероятности Р =0,95 предел допускаемой погрешностиdизм= +1 мкм. Тогда верхняя и нижняя доверительные границы погрешности

Dyсумв = -0,7 + 2×0,4 = +0,1 мкм; Dyсумн = -0,7 — 2×0,4 = -1,5 мкм.

Так как Dyсум н > dизм, выбранный метод и средствоизмерения не удовлетворяют требованиям точности. Следовательно, необходимо скомпенсироватьсистематическую составляющую погрешности, например, путём изготовления образца длянастройки измерительного средства. Размер образца должен быть больше его начальногоразмера на 0,7 мкм; тогда будет справедливо неравенство 0,8 < 1 мкм и проведённыеизмерения будут удовлетворять требованиям по точности.

3.5.2. Причины возникновения погрешностей измерения

Имеется рядслагаемых погрешностей, которые являются доминирующими в общей погрешности измерения.К ним относятся:

1.Погрешности, зависящие от средств измерения. Нормируемую допустимую погрешностьизмерительного средства следует рассматривать как погрешность измерения при одномиз возможных вариантов использования этого измерительного средства, поскольку проверкаточности данных приборов заключается чаще всего в измерении им эталона.

2.Погрешности, зависящие от установочных мер. Установочные меры могут быть универсальными(концевые меры) и специальными (изготовленными по виду измеряемой детали). Погрешностьизмерения будет меньше, если установочная мера будет максимально подобна измеряемойдетали по конструкции, массе, материалу, его физическим свойствам, способу базированияи т.д. Погрешности от концевых мер длины возникают из-за погрешности изготовления(классы) или погрешности аттестации (разряды), а также из-за погрешности их притирки.

3.Погрешности, зависящие от измерительного усилия. При оценке влияния измерительногоусилия на погрешность измерения необходимо выделить упругие деформации установочногоузла и деформации в зоне контакта измерительного наконечника с деталью.

4.Погрешности, происходящие от температурных деформаций (температурные погрешности).Погрешности возникают из-за разности температур объекта измерения и измерительногосредства. Существуют два основных источника, обуславливающих погрешность от температурныхдеформаций: отклонение температуры воздуха от 20о С и кратко-временные колебаниятемпературы воздуха в процессе измерения.

Максимальноевлияние отклонений температуры на погрешность измерения Dltможно рассчитать по формуле

Dlt1= l×Dt1×(aп- aд)max,

гдеDt1- отклонение температуры от 20оС;

aп, aд- коэффициенты линейных расширений прибора и детали.

Максимальноевлияние кратковременных колебаний температуры среды на погрешность измерения будетиметь место в том случае, если колебания температуры воздуха не вызывают измененийтемпературы измерительного средства, а температура объекта измерения близко следуетза температурой воздуха (или наоборот):

Dlt2= l×Dt2×amax,

гдеDt2- кратковременные колебания температуры воздуха в процессе измерения;

amax- наибольшее значение коэффициента линейного расширения (материала прибора или измеряемойдетали).

Общаядеформация по двум случайным составляющим Dt1 и Dt2выразится формулой

/>.

Могут возникнутьи дополнительные деформации при использовании накладных приборов.

5.Погрешности, зависящие от оператора (субъективные погрешности). Возможны четыревида субъективных погрешностей:

погрешностьотсчитывания (особенно важна, когда обеспечивается погрешность измерения, не превышающаяцену деления); погрешность присутствия (проявляется в виде влияния теплоизлученияоператора на температуру окружающей среды, а тем самым и на измерительное средство);погрешность действия (вносится оператором при настройке прибора); профессиональныепогрешности (связаны с квалификацией оператора, с отношением его к процессу измерения).

6.Погрешности при отклонениях от правильной геометрической формы. При измерении деталейс целью учёта возможной погрешности формы рекомендуется:

измерениепроизводить в нескольких точках (как правило, в шести);

у установочныхдеталей перед аттестацией измерить отклонение от геометрической формы;

на образцовойдетали с отклонениями формы выделить и маркировать участок, аттестовать его и понему производить настройку;

при выяснении»действующих" размеров деталей следует стремиться использовать измерительныенаконечники по конфигурации, идентичные сопрягаемой детали («действующий»размер — это размер, который будет действовать в машине и выполнять своё служебноеназначение).

7.Дополнительные погрешности при измерении внутренних размеров. К специфическим погрешностямизмерения отверстий относятся:

погрешности,возникающие при смещении линии измерения относительно контролируемого диаметра какв плоскости, перпендикулярной к оси контролируемого отверстия, так и в осевой плоскости;

погрешности,вызванные шероховатостью поверхности отверстия, особенно при использовании ручныхприборов;

погрешности,обусловленные динамикой процесса совмещения линии измерения одновременно в двухплоскостях;

погрешностиот настойки прибора на размер.

3.5.3. Критерии качества измерений

Качествоизмерений характеризуется точностью, достоверностью, правильностью, сходимостьюи воспроизводимостью измерений, а также размером допустимых погрешностей.

Точность- это качество измерений, отражающее близость их результатов к истинному значениюизмеряемой величины. Высокая точность измерений соответствует малым погрешностямкак систематическим, так и случайным.

Точностьколичественно оценивают обратной величиной модуля относительной погрешности. Например,если погрешность измерений равна 10-6, то точность равна 106.

Достоверностьизмерений характеризует степень доверия к результатам измерений. Достоверность оценкипогрешностей определяют на основе законов теории вероятностей и математической статистики.Это даёт возможность для каждого конкретного случая выбирать средства и методы измерений,обеспечивающие получение результата, погрешности которого не превышают заданныхграниц с необходимой достоверностью.

Подправильностью измерений понимают качество измерений, отражающее близость к нулюсистематических погрешностей в результатах измерений.

Сходимость- это качество измерений, отражающее близость друг к другу результатов измерений,выполняемых в одинаковых условиях. Сходимость измерений отражает влияние случайныхпогрешностей.

Воспроизводимость- это такое качество измерений, которое отражает близость друг к другу результатовизмерений, выполняемых в различных условиях (в различное время, в различных местах,различными методами и средствами).

3.5.4. Планирование измерений

Впростейшем случае планирование измерений сводится к нахождению оптимального числаизмерений n набора величин X1,...Xn, а затем статистических характеристик:

среднегоарифметического /> ,

где/> - среднееарифметическое выборки; /> - его доверительный интервал;

среднегоквадратического выборки Sn » sn (n®¥).

Доверительныйинтервал, на величину которого истинное значение />может отличаться от выборочного />,

/> ,

гдеtn-1 — табличный коэффициент Стьюдента, зависящий от доверительной вероятности Ри числа измерений (n-1). На практике выбирают: Р » 0,68, что соответствует±1s;Р »0,95 соответствует ±2s; Р »0,997 соответствует ±3s.

 Наибольшеечисло требуемых испытаний

/> ,

гдеm — число предварительных экспериментов, заведомо меньшее, чем требуемое.

Такимобразом, исходными, предварительно выбранными величинами при планировании измерений,являются: DX — максимальное допустимое отклонение среднего арифметического;Р — доверительная вероятность; m — число предварительных испытаний.

3.6. Выбор измерительного средства

Обоснованныйвыбор измерительного средства необходим как для метрологического, инженерного инаучного эксперимента, так и для практической деятельности в условиях производстваи оказания услуг.

3.6.1. Подготовка и выполнение измерительного эксперимента[4]

Умение проводитьнаучные исследования становится для инженера необходимостью, так как часто лишьс их помощью удается учесть особенности конкретных условий производства и выявитьрезервы повышения его эффективности.

Эксперимент является главным орудием научного метода познания,на котором основывается наука. Лишь эксперимент, дающий повторяющиеся результатыи поддающийся воспроизведению разными исследователями, позволяет установить илиподтвердить научную истину. Эксперимент включает в себя ряд опытов, в процессе каждогоиз которых происходит воспроизведение исследуемого явления в определенных условияхпроведения эксперимента при возможности регистрации его результатов.

Дляпроведения метрологического эксперимента необходимо: определиться с методикой выполненияизмерений; выбрать метод измерения, средство измерения и вспомогательные устройства;подготовиться к измерению и опробованию средства измерения; осуществить контрольусловий выполнения измерений; установить число наблюдений при измерении; учестьсистематические погрешности и уменьшить их; обработать результаты наблюдений и оценитьпогрешность измерений; интерпретировать и представить результаты измерения; округлитьрезультаты наблюдений и измерений.

Методикавыполнения измерений (МВИ) — нормативно-технический документ, в котором установленасовокупность операций и правил, выполнение которых обеспечивает получение необходимыхрезультатов измерений. В МВИ должны устанавливаться: ее назначение, нормы точностии область применения; метод (методы) измерений; требования к средствам измерений(СИ) и вспомогательным устройствам, необходимым для выполнения измерений; требованияк безопасности, включая экологическую безопасность; требования к квалификации операторов;условия выполнения измерений; операции подготовки к выполнению измерений; экспериментальныеоперации, выполняемые для получения результатов наблюдений при измерении; способыобработки результатов наблюдений и оценки показателей точности измерений; требованияк оформлению результатов измерений.

Разработку или выбор МВИ начинают с анализа объекта, условийи цели измерений и установления соответствующей модели объекта измерений. Под моделью(содержащей физические, математические, структурные, смысловые и другие аспекты)объекта измерений (ОИ) — понимают формализованное описание ОИ, основанное на совокупностиуже имеющихся знаний об ОИ. В качестве измеряемых величин следует выбирать такиепараметры или характеристики модели ОИ, которые наиболее близко соответствуют целиизмерения.

Погрешностями модели можно пренебрегать, если они не превышают10 % от допускаемой погрешности измерений.

Примеры простейших моделей ОИ

1. ОИ — вал; модель ОИ — прямой круговой цилиндр; измеряемыйпараметр — диаметр цилиндра в любом поперечном сечении; источники погрешности модели— эллиптичность, граненость и конусность вала.

2. ОИ — электрическая сеть переменного тока как потенциальныйисточник мощности, выделяющейся в активной нагрузке; модель ОИ — синусоидальноенапряжение U = Um ×sinwt с амплитудойUm; измеряемый параметр — действующее значение напряжения /> ;

источник погрешности модели — отклонение временной зависимостинапряжения от синусоидальной.

Выбор метода измерений определяется принятой моделью ОИ идоступными СИ. Под методом измерений понимают прием или совокупность приемов сравненияизмеряемой величины с ее единицей (или шкалой) в соответствии с реализованным принципомизмерений.

При выборе метода измерений добиваются того, чтобы погрешностьметода измерений, т.е. составляющая систематической погрешности измерений, обусловленнаянесовершенством принятых модели и метода измерений (иначе, теоретическая погрешность),не сказывалась заметно на результирующей погрешности измерения, т.е. не превышала30 % от нее. Изменения измеряемых параметров модели в течение цикла наблюдений,как правило, не должны превышать 10 % от заданной погрешности измерения. Если возможныальтернативы, учитывают и экономические соображения: ненужное завышение точностимодели и метода измерения приводят к необоснованным затратам. То же относится ик выбору СИ.

Выбор средств измерений и вспомогательных устройств определяетсяизмеряемой величиной, принятым методом измерений и требуемой точностью результатаизмерений (нормами точности). Измерения с применением СИ недостаточной точностималоценны (даже бессмысленны), так как могут быть причиной неправильных выводов.Применение излишне точных СИ экономически невыгодно. Учитывают также диапазон измененийизмеряемой величины, условия измерений, эксплуатационные качества СИ, их стоимость.

Основноевнимание уделяют погрешностям СИ. При этом добиваются выполнения условия

DS =Dмод + Dм + DСИ + Dусл + Dо £ Dд ,

где Dд — предельно допускаемая погрешность результатов измерений;

предельные погрешности: Dмод — модели измерений, Dм — метода измерений; DСИ — средства измерений, Dусл — дополнительные погрешности, обусловленные воздействиемвлияющих факторов условий измерений, Dо — оператора.

Этот критерий выбора СИ достаточно надежен, но дает завышеннуюна 20—30 % оценку суммарной погрешности измерения DS. Если такой запаспо точности не допустим, суммирование составляющих DS следует произвестипо формулам для случайных погрешностей.

Подготовка к измерениям и опробование средств измерений.При подготовке к измерениям оператор должен:

1. Подготовить ОИ (например, очистить) и создать необходимые(по НТД) условия измерений (испытаний) — установить в рабочее положение, включитьпитание, охлаждение, прогреть его необходимое время и т. п.

2. Опробовать СИ. Проверить действие органов управления,регулировки, настройки и коррекции. Если СИ снабжены средствами самокалибровки (тестирования),выполнить соответствующие операции.

3. Провести 2—3 пробных наблюдения и сравнить результатыс ожидаемыми. При непредвиденно большом расхождении результатов проанализовать причиныи устранить их.

Контроль условий выполнения измерений. Сохранение метрологическиххарактеристик СИ гарантируется для нормальных условий измерений (табл. 3.2). Однакореальное проведение измерений в этих нормальных условиях маловероятно. Поэтому вэксплуатационной документации (ЭД) на СИ указывают пределы нормальной области значенийвлияющих величин, выходить за которые при выполнении измерений не допускается из-завозникновения дополнительной погрешности СИ. Рекомендуется выделить (определить)рабочее пространство, действием влияющих величин внутри которого можно пренебречь.

По госту 8.050 – 73 “Нормальные условия выполнения линейныхи угловых измерений” и ГОСТу 8.395 — 80 “Нормальные условия измерений при поверке”предусмотрены пределы нормальной области значений влияющих величин, которые устанавливаютсяв зависимости от допусков и диапазона измеряемых размеров.

СИ влияющих величин выбирают такими, чтобы их погрешностьне превышала 30 % от допустимых изменений влияющих величин.

Установлениечисла наблюдений при измерениях. Не следуетотождествлять понятия «измерение» с «наблюдением при измерении»- экспериментальной операцией, выполняемой в процессе измерений, в результате которогополучают одно значение величины (отсчета) — результата наблюдения, подлежащеегообработке для получения результата измерения. Система этих понятий необходима дляоднозначного изложения измерительных процедур.

Таблица 3.2Номинальные значения влияющих физических величин Влияющая величина Номинальное значение величины Температура для всех видов измерений 293 К (20оС) Давление окружающего воздуха для измерения ионизирующих излучений, теплофизических, температурных, магнитных, электрических, давлений, параметров движения

100 кПа

(750 мм рт.ст.)

То же для остальных видов измерений

101,3 кПа

(760 мм рт. ст.)

Относительная влажность воздуха для измерений: линейных, угловых, массы и спектроскопии 58 % То же для измерений электрического сопротивления 55 % То же для измерений температуры, силы, твердости, переменного электрического тока, ионизирующих излучений, параметров движения 65 % То же, для остальных видов измерений 60 % Плотность воздуха 1,2 кг/м3 Ускорение свободного падения 9,8 м/с2 Магнитная индукция (например, магнитного поля) и напряженность электростатического поля для измерений параметров движения, магнитных и электрических величин То же для остальных видов измерений Соответствует характеристикам поля Земли в данном районе

Различают измерения с однократными и многократными наблюдениями.Наиболее распространены (в производстве) измерения с однократными наблюдениями.

Случайную погрешность считают пренебрежимо малой по сравнениюс неисключенным остатком систематической погрешности (НСП), если Q/S(x) > 8, где Q — граница НСП результата измерения: S(x) – среднее квадратическоеотклонение (СКО) отдельных наблюдений.

Иногда дляповышения надежности таких измерений (исключения промахов) делают все-таки два илитри наблюдения, и за результат измерения принимают среднее арифметическое значениерезультатов этих наблюдений.

Измерение с числом наблюдений n ³ 4 относят (условно) к измерениямс многократными наблюдениями и выполняют статистическую обработку ряда результатовнаблюдений для получения информации о результате измерений и о случайной составляющейпогрешности этого результата. При увеличении n СКО случайной погрешности результатаизмерений /> уменьшаетсяпо закону обратной пропорциональности />. Этим руководствуются при выборе nдля разумного уменьшения />, например, по сравнению с НСП результатаизмерений Q, не зависящейот n (до выполнения условия Q//>³ 8, дальнейшее увеличение n неимеет смысла). Как правило, выбор числа наблюдений производится при разработке МВИ.Определение количества измерений приведено в п .3.5.4.

Учет систематических погрешностей и способы их уменьшения.Систематические погрешности, как правило, не проявляются при выполнении наблюденийи вычислении результатов измерений, но способны существенно исказить эти результаты.

При разработке СИ и МВИ, т.е. еще до начала измерений систематическиепогрешности более или менее полно исключаются (например, введением аддитивных имультипликативных поправок). Поэтому при выполнении наблюдений и оценке результатовизмерений имеют дело с неисключенными остатками систематических погрешностей — НСП.Систематическую погрешность в данном разделе необходимо понимать именно как неисключеннуюсистематическую погрешность (НСП).

Для обнаружения НСП рекомендуется: провести измерение другим,максимально отличным от использованного, методом и сравнить результаты; резко изменитьусловия наблюдений (использовать другие экземпляры СИ, сменить оператора, изменитьвремя наблюдений, например, провести их в ночное время, когда выключено технологическоеоборудование); провести контрольное измерение в лаборатории другой организацииили в метрологическом учереждении, в которых имеются более точные СИ и МВИ; выполнитьтеоретическую (расчетную) оценку НСП с привлечением имеющихся априорных знаний обобъекте измерений, более точных или других моделях объекта измерений, методе и СИ.

Для уменьшения (исключения) НСП в ходе выполнения измеренийприменяются следующие методы (приемы):

1. Метод замещения. Его суть — замена измеряемой величиныизвестной (мерой), притом так, чтобы в состоянии и действии всех используемых СИне происходило никаких изменений.

2. Метод противопоставления. Измерение выполняется с двумянаблюдениями, проводимыми так, чтобы причина НСП оказывала разные, но известныепо закономерности воздействия на результаты наблюдений.

3. Метод компенсации погрешности по знаку предусматриваетизмерение с двумя наблюдениями, выполняемыми так, чтобы НСП входила в результаткаждого из них с разными знаками.

4. Метод рандомизации (перевода систематической погрешностив случайную) заключается в такой организации измерений, при которой фактор, вызывающийНСП, при каждом наблюдении действует по-разному.

5. Метод симметричных наблюдений применяется для устраненияпрогрессирующих систематических погрешностей, линейно меняющихся пропорциональновремени. Используют следующее свойство любых двух наблюдений, симметричных относительносредней точки интервала наблюдений: среднее значение линейно прогрессирующей погрешностирезультатов любой пары симметричных наблюдений равно погрешности, соответствующейсредней точке интервала. Ряд наблюдений выполняют через равные промежутки времении вычисляют средние арифметические значения результатов симметрично расположенныхнаблюдений (симметрично относительно среднего по времени наблюдения). Как было сказано,они должны быть равны. Это дает возможность контролировать в ходе измерения, соблюдаетсяли условие линейности возрастания систематической погрешности.

Описанные методы (приемы) должны учитываться при разработкеМВИ.

3.6.2. Обработка результатов наблюдений и оцениваниепогрешностей измерений [4]

Оценку погрешности результата измерения выполняют при разработкеМВИ. Источниками погрешностей являются модель ОИ, метод измерения, СИ, оператор,вляющие факторы условий измерений, алгоритм обработки результатов наблюдений. Какправило, погрешность результата измерения оценивается при доверительной вероятнйстиР = 0,95.

При выборе значения Р необходимо учитывать степень важности(ответственности) результата измерений. Например, если ошибка в измерении можетпривести к гибели людей или к тяжелым экологическим последствиям, значение Р должнобыть увеличено.

1. Измерения с однократными наблюдениями. За результат измеренияв этом случае принимают результат однократного наблюдения х (с введением поправки,если она имеется), используя предварительно полученные (например, при разработкеМВИ) данные об источниках, составляющих погрешность.

Доверительные границы НСП результата измерения Q(P) вычисляют по формуле

/> , (3.3)

где k(P) — коэффициент, определяемый принятой Р и числомm1 составляющих НСП: Q(P)- найденные нестатистическими методами границы

j-ой составляющей НСП (границы интервала, внутри которогонаходится эта составляющая, определяемые при отсутствии сведений о вероятности еенахождения в этом интервале). При Р = 0,90 и 0,95 k(P) равен 0,95 и 1,1, соответственнопри любом числе слагаемых m1. При Р = 0,99 значения k(P) следующие (табл. 3.3):

Таблица 3.3

m1 k(P) m1 k(P) 5 и более 1,45 3 1,30 4 1,40 2 1,20

Если составляющие НСП распределены равномерно и заданы доверительнымиграницами Q(P), то доверительнуюграницу НСП результата измерения вычисляют по формуле

/> , (3.4)

где k и kj — те же, что и в предыдущем случае, коэффициенты,соответствующие доверительной вероятности Р и Рj соответственно; m1 — число составляющихНСП.

Среднее квадратическое отклонение (СКО) результата измеренияс однократным наблюдением вычисляют одним из следующих способов:

1. Если в технической документации на СИ или в МВИ указанынормально распределенные составляющие случайной погрешности результата наблюдения(инструментальная, методическая, из-за влияющих факторов, оператора и т.д.), тоСКО вычисляют по формуле

/>/> ,

где m2 — число составляющих случайной погрешности; Si — значенияСКО этих составляющих.

Доверительную границу случайной погрешности результата измеренияяÎ(Р) в этом случаевычисляют по формуле

/> , (3.5)

где zP/2 — значение нормированной функции Лапласа в точкеР/2 при доверительной вероятности Р (табл. 3.4):

Таблица 3.4 Р zP/2 Р zP/2 0,90 1,65 0,97 2,17 0,95 1,96 0,98 2,33 0,96 2,06 0,99 2,58

2. Если в тех же документах случайные составляющие погрешностирезультата наблюдения представлены доверительными границами Îi(P) при одной и той же доверительнойвероятности P, то доверительную границу случайной погрешности результата измеренияс однократным наблюдением при доверительной вероятности вычисляют по формуле

/> .

3. Если случайные составляющие погрешности результата наблюденияопределяют предварительно в реальных рабочих условиях экспериментальными методамипри числе наблюденийи ni <30, то:

/> ,

где t — коэффициент Стьюдента, соответствующий наименьшемучислу наблюдений nmin из всех ni, можно найти в [4] или в любом справочнике по теориивероятностей; S(x) — оценки СКО случайных составляющих погрешности результата наблюдения,определяемых по формуле (3.10). Если в эксперименте невозможно или нецелесообразноопределить СКО составляющих случайной погрешности и определено сразу суммарное СКО,то в формуле (3.5) m2 = 1.

4. Если случайные составляющие погрешности результата наблюденийпредставлены доверительными границами Î(Pi), соответствующими разным вероятностям Рi, то сначалаопределяют СКО результата измерения с однократным наблюдением по формуле

/> ,

где zPi/2 — значения функции Лапласа. Затем вычисляют Î(P) по формуле (3.4).

Для суммирования систематической и случайной составляющихпогрешностей рекомендуется следующий способ:

Если  Q(P)/S(x) < 0,8, (3.6)

то НСП Q(P) пренебрегают и окончательно принимают Î(P) за погрешность результата измерения D(P) при доверительной вероятности Р.

Если Q(P)/S(x) > 0,8, (3.7)то пренебрегают случайной погрешностью и принимают D(P) = Q(P).

Если 0,8 £ Q(P)/S(x)£ 8, то доверительнуюграницу погрешности результата измерений вычисляют по формуле

/> , (3.8)

где KS(g) = /> ; /> .

2. Измерения с многократными наблюдениями. Обработку результатовв этом случае рекомендуется начать с проверки на отсутствие промахов (грубых погрешностей).Промах — это результат xп отдельного наблюдения, входящего в ряд из n наблюдений,который для данных условий измерений резко отличается от остальных результатов этогоряда. Если оператор в ходе измерения обнаруживает такой результат и достоверно находитего причину, он вправе его отбросить и провести (при необходимости) дополнительноенаблюдение взамен отброшенного.

При обработке уже имеющихся результатов наблюдений произвольноотбрасывать отдельные результаты нельзя, так как это может привести к фиктивномуповышению точности результата измерения. Поэтому применяют следующую процедуру.Вычисляют среднее арифметическое /> результатов наблюдений хi по формуле

/> . (3.9)

Затем вычисляютоценку СКО результата наблюдения как

/> . (3.10)

Находят отклонение vп предполагаемого промаха xп от />:

vп = | xп — />| .

По числу всех наблюдений n (включая xп) и принятому для измерениязначению Р (обычно 0,95) по [4] или любому справочнику по теории вероятностей находятz(P,n) — нормированное выборочное отклонение нормального распределения. Если vп< z×S(x), то наблюдениеxп не является промахом; если vп ³ z×S(x), то xп — промах, подлежащий исключению. После исключения xп повторяютпроцедуру определения /> и S(x) для оставшегося ряда результатовнаблюдений и проверки на промах наибольшего из оставшегося ряда отклонений от новогозначениям (вычисленного исходя из n — 1).

За результат измерения принимают среднее арифметическое />[см. формулу (3.9)]результатов наблюдений хi. Погрешность /> содержит случайную и систематическуюсоставляющие. Случайную составляющую, характеризуемую СКО результата измерения,оценивают по формуле

/> .

В предположении принадлежности результатов наблюдений хiк нормальному распределению находят доверительные границы случайной погрешностирезультата измерения при доверительной вероятности Р по формуле Î(P) = t(P,n) × S(/>), (3.11)

где t — коэффициент Стьюдента.

Доверительные границы Q(Р) НСП результата измерения с многократными наблюдениямиопределяют точно так же, как и при измерении с однократным наблюдением — по формулам(3.3) или (3.4).

Суммирование систематической и случайной составляющих погрешностирезультата измерения при вычислении D(Р) рекомендуется осуществлять с использованием критериеви формул (3.6 – 3.8), в которых при этом S(x) заменяется на S(/>) = S(x)//>.

3. Косвенные измерения. Значение измеряемой величины А находятпо результатам измерений аргументов а1,..., аi,…am, связанных с искомой величинойуравнением

/>f(a1,….ai….am). (3.12)

Вид функции f определяется при установлении модели ОИ.

Косвенное измерение при линейной зависимости. Искомая величинаА связана с m измеряемыми аргументами уравнением

/> ,

где bi — постоянные коэффициенты.

Предполагается, что корреляция между погрешностями измеренийai отсутствует. Результат измерения А вычисляют по формуле

/> ,

где /> — результат измерения ai с введеннымипоправками. Оценку СКО результата измерения S(A) вычисляют но формуле

/> ,

где /> — оценка СКО результата измерений/>.

Доверительные границы Î(Р) случайной погрешности /> при нормальном распределении погрешностей/> 

/> , (3.13)

где t(P,nэф) — коэффициент Стьюдента, соответствующий доверительнойвероятности Р (обычно 0,95, в исключительных случаях 0,99) и эффективному числунаблюдений nэф, вычисляемому по формуле

/> ,

где ni —число наблюдений при измерении аi.

Доверительные границы Q(Р) НСП результата такого измерения, сумму Q(Р) и Î(Р) для получения окончательного значения D(Р) рекомендуется вычислять с использованием критериев иформул (3.3), (3.4), (3.6) — (3.8), в которых m1, Qi, и S(x) заменяются, соответственно, на m, bi×Qi, и S(/>).

Косвенные измерения при нелинейной зависимости. При некоррелированныхпогрешностях измерений аi используется метод линеаризации путем разложения функцииf(а1,..., am) в ряд Тейлора, то есть

f(а1,..., am) =/>,

где />— отклонение отдельного результатанаблюдения аi от />; R — остаточный член.

 Метод линеаризации допустим, если приращение функции f можнозаменить ее полным дифференциалом. Остаточным членом

/> пренебрегают, если />,

где /> — оценка СКО случайных погрешностейрезультата измерения />. При этом отклонения D/>должны быть взяты из возможных значенийпогрешностей и такими, чтобы они максимизировали R.

Результат измерения /> вычисляют по формуле />= f(/>.

Оценку СКО случайной составляющей погрешности результататакого косвенного измерения S(/>) вычисляют по формуле

/> ,

а Î(Р) — по формуле (3.13). Значение nэф, границы НСП Q(Р) и погрешность D(Р) результата косвенного измерения при нелинейной зависимостивычисляют так же, как и при линейной зависимости, но с заменой коэффициентов biна ¶f/¶ai

Метод приведения (для косвенных измерений с нелинейной зависимостью)применяется при неизвестных распределениях погрешностей измерений ai и при корреляциимежду погрешностями ai для получения результата косвенного измерения и определенияего погрешности. При этом предполагается наличие ряда n результатов наблюдений aijизмеряемых аргументов аi. Сочетания aij, полученных в j-м эксперименте подставляютв формулу (3.12) и вычисляют ряд значений Aj измеряемой величины А. Результат измерения/> вычисляютпо формуле />.

Оценку СКО S(/>) — случайной составляющей погрешности/> - вычисляютпо формуле

/> ,

а Î(Р) —по формуле (3.11). Границы НСП Q(Р) и погрешность D(Р) результата измерения /> определяют описанными выше способамидля нелинейной зависимости.

3.6.3. Выбор измерительных средств по допустимой погрешностиизмерения

При выбореизмерительных средств и методов контроля изделий учитывают совокупность метрологических,эксплуатационных и экономических показателей. К метрологическим показателям относятся:допустимая погрешность измерительного прибора-инструмента; цена деления шкалы; порогчувствительности; пределы измерения и др. К эксплуатационным и экономическим показате­лямотносятся: стоимость и надежность измерительных средств; продолжительность работы(до ремонта); время, затрачиваемое на настройку и процесс измерения; масса, габаритныеразмеры и рабочая нагрузка.

3.6.3.1. Выбор измерительных средств для контроля размеров

На рис. 3.3 показаны кривые распределения размеров деталей(утех) и погрешностей измерения (умет) с центрами, совпадающими с границами допуска.В результате наложения кривых умет и утех происходит искажение кривой распределенияу(sтех, sмет), появляются области вероятностей т и п, обусловливающиевыход размера за границу допуска на величину с. Таким образом, чем точнее технологическийпроцесс (меньше отношение IT/Dмет),тем меньше неправильно принятых деталей по сравнению с неправильно забракованными.

Решающим фактором является допускаемая погрешность измерительногосредства, что вытекает из стандартизованного определения действительного размеракак и размера, получаемого в результате измерения с допустимой погрешностью.

Допускаемыепогрешности измерения dизм при приёмочном контроле на линейные размерыдо 500 мм устанавливаются ГОСТом 8.051, которые составляют 35-20% от допуска наизготовление детали IT. По этому стандарту предусмотрены наибольшие допускаемыепогрешности измерения, включающие погрешности от средств измерений, установочныхмер, температурных деформаций, измерительного усилия, базирования детали. Допускаемаяпогрешность измерения dизм состоит из случайной и неучтённой систематическойсоставляющих погрешности. При этом случайная составляющая погрешности принимаетсяравной 2sи не должна превышать 0,6 от погрешности измерения dизм.

В ГОСТе 8.051погрешность задана для однократного наблюдения. Случайная составляющая погрешностиможет быть значительно уменьшена за счёт многократных наблюдений, при которых онауменьшается в /> раз, где n — число наблюдений. Приэтом за действительный размер принимается среднеарифметическое из серии проведённыхнаблюдений.

При арбитражнойперепроверке деталей погрешность измерения не должна превышать 30% предела погрешности,допускаемой при приёмке.

Значения допустимой погрешности измерения dизм на угловые размеры установлены по ГОСТу 8.050 — 73.

Для определения т с другой доверительной вероятностью необходимосместить начало координат по оси ординат.

Кривые графиков (сплошные и пунктирные) соответствуют определенномузначению относительной погрешности измерения, равной

/>,

где s — среднее квадратическое отклонение погрешности измерения;

IТ—допуск контролируемого размера.

При определении параметров т, п и с рекомендуется принимать

Амет(s ) = 16 % для квалитетов 2—7, Амет(s ) =12 % — для квалитетов 8, 9,

Амет(s ) =10 % — для квалитетов 10 и грубее.

Параметры т, п и с приведены на графиках в зависимости отзначения IT/sтех, где sтех — среднее квадратическое отклонение погрешности изготовления.Параметры m, n и с даны при симметричном расположении поля допуска относительноцентра группирования контролируемых деталей. Для определяется m, n и с при совместномвлиянии систематической и случайной погрешностей изготовления пользуются теми жеграфиками, но вместо значения IT/sтех принимается

для одной границы /> ,

а для другой — /> ,

где aТ — систематическая погрешность изготовления.

При определении параметров m и n для каждой границы беретсяполовина получаемых значений.

Возможные предельные значения параметров т, п и с/IТ, соответствующиеэкстремальным значениям кривых (на рис. 3.4 – 3.6), приведены в табл.3.5.

Таблица 3.5Aмет(s) m n c/IT Aмет(s) m n c/IT 1,60 0,37-0,39 0,70-0,75 0,01 10,0 3,10-3,50 4,50-4,75 0,14 3,0 0,87-0,90 1,20—1,30 0,03 12,0 3,75-4,11 5,40-5,80 0,17 5,0 1,60-1,70 2,00-2,25 0,06 16,0 5,00-5,40 7,80-8,25 0,25 8,0 2,60-2,80 3,40-3,70 0,10

Первые значения т и п соответствуют распределению погрешностейизмерения по нормальному закону, вторые — по закону равной вероятности.

Предельные значения параметров т, п и с/IТ учитывают влияниетолько случайной составляющей погрешности измерения.

ГОСТ 8.051—81 предусматривает два способа установления приемочныхграниц.

Первый способ. Приемочные границы устанавливают совпадающимис предельными размерами (рис. 3.7, а).

Пример. При проектировании вала диаметром 100 мм оценено,что отклонения его размеров для условий эксплуатации должны соответствовать h6(100-0,022).В соответствии с ГОСТом 8.051 — 81 устанавливают, что для размера вала 100 мм идопуска IТ=0,022 мм допускаемая погрешность измерения dизм = 0,006 мм.

В соответствии с табл. 3.5 устанавливают, что для Aмет(s) = 16% и неизвестной точности технологического процессаm = 5,0 и с = 0,25IТ, т. е. среди годных деталей может оказаться до 5,0 % неправильнопринятых деталей с предельными отклонениями +0,0055 и -0,0275 мм.

/> dизм/2с

 

 Приемочные границы

 

а) б) в)

Рис.3.7.Варианты расположения приемочных границ по отношению к полю допуска

Если полученныеданные не повлияют на эксплуатационные показатели вала, то на чертежах указываютпервоначально выбранный квалитет. В противном случае назначают более точный квалитетили другое поле допуска в этом квалитете.

Второй способ.Приемочные границы смещают внутрь относительно предельных размеров.

При введении производственного допуска могут быть два вариантав зависимости от того, известна или неизвестна точность технологического процесса.

Вариант 1. При назначении предельных размеров точность технологическогопроцесса неизвестна. В соответствии с ГОСТом 8.051—81 предельные размеры изменяютсяна половину допускаемой погрешности измерения (рис. 3.7, б). Для примера, рассмотренноговыше, диаметр />.

Вариант 2. При назначении предельных размеров точность технологическогопроцесса известна. В этом случае предельные размеры уменьшают на значение параметрас (рис. 3.7, в).

Предположим, что для рассмотренного выше примера IТ/sтех = 4 (при изготовлении имеется 4,5% брака по обеим границам):Aмет(s) = 16%, с/IT = 0,1;c = 0,0022 мм.

С учетом данных диаметр вала принимают />.

3.6.3.2. Выбор изметительных средствдля других параметров [27]

Выбор измерительногосредства определяется допуском на измерение, который зависит от допуска на конролируемыйпараметр. При отсутствии рекомендаций в НТД допуск на измерение принимают

dизм = 0,33Т, (3.14)

где Т – допускна контролируемый параметр.

Например,для измерения отклонений формы и расположения допустимую абсолютную погрешностьизмерения искомого средства измерения определяют по выражению

/> , (3.15)

где dизм — абсолютная погрешность измерения точности формы или расположения, котораяне должны быть больше 0,33Тф (здесь Тф — заданный допуск формы или расположения);

Di — абсолютные погрешностиn звеньев измерительного канала.

Приведенная погрешность средства измерения определяется как

/> ,

где XN — нормирующий параметр, в качестве которого можетслужить диапазон измерений выбранного средства измерения.

Пример. Выбрать средство измерений для контроля отклоненияот круглости вала ¯ 86h9(-0,087) c допуском круглости 0,025 мм. Измеряемую деталь6 (рис. 3.8) устанавливают в призму 2 с углом раскрытия a и ощупывают наконечником измерительной головки 3, закрепленнойв стойке 4, в направлении биссектрисы угла призмы. Измерительной головкой 5, типкоторой необходимо выбрать, фиксируют максимальное изменение показаний DА за один оборот контролируемой детали 6. При этом отклонениеот круглости определяют как Dкр = DА/Fп, где Fп –коэффициент, зависящий от количества неровностей на периметре контролируемой деталии угла раскрытия призмы (Fп — величина табулированная).

Таким образом, для регистрации допуска круглости, равного25 мкм, должно быть выбрано измерительное средство, имеющее погрешность не более3,5 мкм. Такими средствами могут быть головки рычажно-зубчатые типа 1ИТ с ценойделения 0,001 и 0,002 мм и пределом измерения ±0,050 мм с настройкой по концевыммерам длины. Предельная погрешность измерения рычажно-зубчатыми головками для диапазонаразмеров 80 — 120 мм не превышает 2,5 мкм.

Исходными данными для выбора средств теплофизических измеренийявляются указанные в конструкторской (технологической) документации наименьшие инаибольшие размеры физической величины или допуск (например, задание условий: «температурастенки может изменяться в диапазоне от +400 до +800 Со или „давление в трубопроводене должно превышать 15+0,2 МПа“).

Допуск относительно номинального размера может располагатьсяодносторонне, симметрично и асимметрично. Его расположение относительно номинальногоразмера на выбор СИ не влияет. Действительные размеры измеряемой величины могутизменяться по различному закону.

В соответствии с исходными данными определяют допускаемыезнания основной абсолютной, относительной или приведенной погрешностей средстваизмерения (или измерительной системы); назначают требования к габаритным размерам,массе, соединительным элементам, особенностям конструкции данного средства измерения;рассчитывают значения нижнего и верхнего пределов (диапазона) рабочей шкалы средстваизмерений.

Примечание. Основной называют погрешность средства измерения,используемого в нормальных условиях. Приведенной погрешностью измерительного прибораназывают отношение абсолютной погрешности к нормирующему значению

/>, где в качестве ХN может быть выбранпредел или диапазон измерения, длина шкалы./>Относительная погрешность прибораопределяется зависимостью

/>, где Хд – действительное значениеизмеряемой величины.

Допуск на измерение необходимо принимать по формуле (3.14).

Нижний предел рабочей части шкалы (диапазона) средства измерения(измерительной системы)

Нди<Пmin — dизм,

где Нди – значение нижнего предела рабочей части шкалы (диапазона);Пmin — наименьшее значение измеряемой величины. Верхний предел рабочей части величины

Вди > Пmax + dизм ,

где Пmax — наибольшеепредельное значение измеряемой величины.

Выбор пределов (Нди и Вди) рабочей части шкалы средства измерения вызваннеобходимостью исключить возможное внесение в результаты измерения ошибок в случае,когда истинные значения измеряемой величины близки к граничным значениям рабочейчасти шкалы.

Предварительный выбор средства измерения производят по расчетнымзначениям допустимой погрешности измерения dизм, относительной dи основной приведенной g погрешностей прибора, а окончательный — с учетом области значений влияющихвеличин, габаритных размеров, массы, стоимости, особенностей эксплуатации, электромагнитнойсовместимости с окружающей средой и др.

Для проведения измерений в условиях, когда значения влияющихвеличин отличаются от установленных в нормативных документах на средства измеренияконкретного вида, необходимо нормировать функции влияния, т.е. указывать зависимостипоказаний средств измерений от влияющих параметров и на основе этого вносить поправкив показания средства измерения или применять корректирующие устройства.

Примеры выбора средств изменений

Пример 1. Определить верхний предел измерения и основнуюприведенную погрешность датчика для измерения тяги газотурбинного двигателя (ГТД)Р = (1,6±0,1) кН.

Решение. Наибольшая и наименьшая предельные тяги Рmax = 1,6+ 0,1 = 1,7 кН; Рmin =1,6 – 0,1 = 1,5 кН; допуск Т = 1,7 – 1,5 = 0,2 кН; основнаядопустимая абсолютная погрешность датчика (допуск на измерение) dизм = 0,33Т = 0,33×0,2 = 0,066 кН; нижний предел рабочей части шкалы Нди <1,5 — 0,066 = 1,434 кН; верхний предел рабочей части шкалы Вди > 1,7 + 0,066= 1.766 кН.

Выбираем датчик усилий с верхним пределом измерения Вди =2 кН.

Нормирующее значение для определения основной приведеннойпогрешности датчика принимаем ХN.= 2,0 кН.

Определяем предел допускаемой основной приведенной погрешностидатчика />.Ближайшим меньшим значением этой погрешности по отношению к найденному являетсяg = 2%.

Пример 2. Определить основную приведенную погрешность и пределыизмерения виброакселерометра для измерения виброускорения а = 50±2 м/с2.

Решение. Наибольшее предельное значение виброускорения аmax= 50 + 2 = 52 м/c2; наименьшее его значение аmin = 50 –2 = 48 м/c2; допуск Т = 52– 48 = 4 м/с2; основная допустимая абсолютная погрешность виброакселерометра (допускна измерение) dизм = 0,33Т =0,33×4 = 1,32 м/с2;нижний предел рабочей части шкалы Нди < 48 – 1,32 = 46,68 м/с2; верхний пределВди > 52 + 1,32 = 53,32 м/с2.

В соответствии с данными по Нди и Вди выбираем виброакселерометрс верхним пределом измерения 100м/с2.

Основная приведенная погрешность этого прибора />.

Измерительный преобразователь прибора для измерения ускоренияударного импульса должен выбираться с учетом соотношения />, где fp – указанная в паспортена прибор резонансная частота измерительного преобразователя, Гц; tи – длительность измеряемого ударного импульса, с.

Пример 3. Определить пределы измерения и класс точности вольтметрадля измерения напряжения питания бортовой сети самолета V =27±2,7 В.

Решение. Наибольшее предельное напряжение Vmax = 27 + 2,7= 29,7 В; наименьшее Vmin = 27 – 2,7 = 24,3 В; допуск Т = 29,7 – 24,3 = 5,4 В; основнаядопустимая абсолютная погрешность вольтметра (допуск на измерение) dизм = 0,33Т = 0,33×5,4 = 1,78 В; нижний предел рабочей части шкалы Нди <24,3 – 1,78 = 22,52 В; верхний предел Вди > 27,9 + 1,78 = 31,48 В.

В соответствии с данными по Нди и Вди выбираем вольтметрс верхним пределом измерения 40 В.

Основная приведенная погрешность этого прибора />.

Найденному значению g соответствует класс точности 5.

3.7. Обеспечение единства измерений

Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ)- комплекс установленных стандартами взаимоувязанных правил, положений, требованийи норм, определяющих организацию и методику проведения работ по оценке и обеспечениюточности измерений.

3.7.1. Единство измерений

Единствоизмерений — состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенныхединицах величин и погрешности измерений не выходят за установленные границы с заданнойвероятностью.

Правовойосновой обеспечения единства измерений служит законодательная метрология, котораяпредставляет собой свод государственных актов и нормативно-технических документовразличного уровня, регламентирующих метрологические правила, требования и нормы.

Технической основой ГСИ являются:

1. Система (совокупность) государственных эталонов единици шкал физических величин — эталонная база страны.

2. Система передачи размеров единиц и шкал физических величинот эталонов ко всем СИ с помощью эталонов и других средств поверки.

3. Система разработки, постановки на производство и выпускав обращение рабочих СИ, обеспечивающих исследования, разработки, определение с требуемойточностью характеристик продукции, технологических процессов и других объектов.

4. Система государственных испытаний СИ (утверждение типаСИ), предназначенных для серийного или массового производства и ввоза из-за границыпартиями.

5. Система государственной и ведомственной метрологическойаттестации, поверки и калибровки СИ.

6. Системастандартных образцов состава и свойств веществ и материалов.

7. Системастандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществ и материалов.

Различаютдецентрализованное и централизованное воспроизведение единиц.

Придецентрализованном единицы воспроизводятся там, где выпол-няются измерения (м2 идр. производные физические величины).

При централизованном информацияо единицах передаётся с места их централизованного хранения и воспроизведения. Оноосуществляется с помощью специальных технических средств, называемых эталонами.Основные единицы (секунда, метр,килограмм, кельвин, кандела, ампер и моль) воспроизводятся только централизованно.

Эталонединицы величины — средство измерений, предназначенное для воспроизведения и храненияединицы величины (или кратных либо дольных значений единицы величины) с целью передачиее размера другим средствам измерений данной величины.

Отэталона единица величины передается разрядным эталонам, а от них – рабочим средствамизмерений.

Эталоны классифицируютна первичные, вторичные и рабочие.

Первичный эталон — это эталон, воспроизводящий единицу физичскойвеличины с наивысшей точностью, возможной в данной области измерений на современномуровне научно-технических достижений. Первичный эталон может быть национальным (государственным)и международным.

Государственныйэталон единицы величины — эталон единицы величины, признанный решением уполномоченногона то государственного органа в качестве исходного на территории Российской Федерации.

Международные эталоны хранит и поддерживает Международноебюро мер и весов (МБМВ). Важнейшая задача деятельности МБМВ состоит в систематическихмеждународных сличениях национальных эталонов крупнейших метрологических лабораторийразных стран с международными эталонами, а также и между собой, что необходимо дляобеспечения достоверности, точности и единства измерений как одного из условий международныхэкономических связей. Сличению подлежат как эталоны основных величин системы SI,так и производных. Установлены определенные периоды сличения. Например, эталоныметра и килограмма сличают каждые 25 лет, а электрические и световые эталоны — одинраз в 3 года.

Первичному эталону соподчинены вторичные и рабочие (разрядные)эталоны. Размер воспроизводимой единицы вторичным эталоном сличается с государственнымэталоном.

Вторичные эталоны (их иногда называют „эталоны-копии“)могут утверждаться либо Госстандартом РФ, либо государственными научными метрологическимицентрами, что связано с особенностями их использования.

Рабочие эталоны воспринимают размер единицы от вторичныхэталонов и, в свою очередь, служат для передачи размера менее точному рабочему эталону(или эталону более низкого разряда) и рабочим средствам измерений.

Каждый эталонсостоит из воспроизводящей части и приспособлений или устройств, обеспечивающихсъём и передачу информации о размере единицы.

Стандартныеобразцы состава и свойств веществ и материалов – это образцы веществ и материалов,химический состав или физические свойства которых типичны для данной группы веществ(материалов), определены с необходимой точностью, отличаются высоким постоянствоми удостоверены сертификатом. Они играют важную роль в обеспечении единства измерений.

Стандартныеобразцы используются для градуировки, поверки и калибровки химического состава иразличных свойств материалов (механических, теплофизических, оптических и др.).Они могут применяться непосредственно для контроля качества сырья и промышленнойпродукции путем сличения. По существу стандартные образцы служат для поддержанияединства измерений, т.е. являются средствами измерений.

Стандартныеобразцы подвергаются специальным испытаниям, по результатам которых они получаютсвидетельства (сертификат) и вносятся в государственный реестр стандартных образцов,а он, в свою очередь, является составной частью (разделом) Государственного реестрасредств измерений.

Образцы составаи образцы свойств в зависимости от уровня утверж-дения подразделяются на: государственные,отраслевые и предприятий.

ВРоссии действует Государственная служба стандартных образцов (ГССО) в составе НПОВНИИМ им Д.И. Менделеева.

Передачаинформации о размерах единиц. Правильность и точность заложенной в средства измеренийинформации о размере единиц устанавливается при утверждении типа средств измерений.Сохранность этой информации контролируется при первичной и всех последующих поверкахсредств измерений.

Использованиедля градуировки, аттестации и поверки средств измерений непосредственно государственныхэталонов не допускается. Эти эталоны являются национальным достоянием, ценностямиособой государственной важности.

Погосударственным эталонам устанавливаются значения физических величин вторичных эталонов.Среди вторичных эталонов различают: эталоны-свидетели, предназначенные для проверкисохранности государственного эталона и замены его в случае порчи или утраты; эталонысравнения, применяемые для сличения эталонов, которые по тем или иным причинам немогут быть непосредственно сличены друг с другом; эталоны-копии, используемые дляпередачи информации о размере рабочим эталонам.

Нарис. 3.9 приведён один из вариантов схемы передачи информации о размере единицыот государственного эталона к средствам измерений, из которой видно, что от вторичныхэталонов информацию о размере единицы получают нижестоящие эталоны (1-го, 2-го,3-го и 4-го разрядов) и рабочие средства измерений.

Недопускается использование рабочих средств измерений для передачи информации о размереединицы другим средствам измерений.

/>

Количествоступеней от рабочего эталона до средства измерений зависит от требуемой точностипередачи размера единицы и особенностей данной единицы. Известно, что на каждойступени передачи информации точность теряется в 3 — 5 раз (иногда в 1,25 — 10 раз).

Такимобразом, при многоступенчатой передаче эталонная точность не доходит до потребителя.Поэтому для высокоточных средств измерений число ступеней может быть сокращено вплотьдо передачи им информации о размере единицы непосредственно от эталона-копии.

3.7.2. Поверка средств измерений

Поверкасредства измерений — совокупность операций, выполняемых органами государственнойметрологической службы (другими уполномоченными на то органами, организациями) сцелью определения и подтверждения соответствия средства измерений установленнымтехническим требованиям.

Средства измерений, подлежащие метрологическому контролюи надзору, подвергаются поверке при выпуске из производства или ремонта, при ввозепо импорту, при продаже и выдаче на прокат, а также при эксплуатации.

Правилами ПР 50.2.006-94 „ГСИ. Поверка средств измерений.Организация и порядок проведения“ установлено, что поверку средств измеренийосуществляют органы государственной метрологической службы (ГМС), государственныенаучные метрологические центры (ГНМЦ), а также аккредитованные метрологические службыюридических лиц.

Поверка проводится физическим лицом, аттестованным в качествеповерителя в соответствии с правилами ПР 50.2.012-94 „ГСИ. Порядок аттестацииповерителей средств измерений“, по нормативным документам, утверждаемым порезультатам испытаний с целью утверждения типа. Если средство измерений по результатамповерки признано пригодным к применению, то на него и (или) техническую документациюнаносится оттиск поверительного клейма и (или) выдается „Свидетельство о поверке“.Если по результатам поверки средство измерений признано не пригодным к применению,оттиск поверительного клейма и (или) „Свидетельство о поверке“ аннулируютсяи выписывается „Извещение о непригодности“ или делается соответствующаязапись в технической документации.

Существуютследующие виды поверок:

Первичнаяповерка — проводится для средств измерений утвержденных типов при выпуске их изпроизводства, после ремонта, при ввозе из-за границы. При утверждении типа средств измерений единичного производства на каждое изних оформляется сертификат об утверждении типа; первичную поверку данные средстваизмерений не проходят.

Периодическаяповерка проводится для средств измерений, находящихся в эксплуатации, через определённыемежповерочные интервалы. Необходимость поверки обусловлена возможностью утраты измерительнымсредством метрологических показателей из-за временных и других воздействий.

Периодичностьповерки зависит от временной нестабильности метрологических характеристик (метрологическойнадёжности), интенсивности эксплуатации и важности результатов, получаемых с помощьюсредств измерений.

Существуютрекомендация ВНИИМС – МИ2273-93 „ГСИ. Области использования средств измерений,подлежащих поверке“, согласно которой первый межповерочный интервал устанавливаетсяпри утверждении типа. Корректировка межповерочных интервалов с учетом спецификиприменения средств измерений производится в соответствии с методическими материаламиМИ 1872-88 „ГСИ. Межповерочные интервалы образцовых средств измерений. Методикаопределения и корректировки“, а также МИ 218-92 „ГСИ. Межповерочные имежкалибровочные интервалы средств измерений. Методика определения“.

Внеочереднаяповерка проводится: при необходимости подтверждения пригодности средства измеренийк применению; в случае применения средства измерений, в качестве комплектующегопо истечении половины межповерочного интервала; в случае повреждения клейма илиутери свидетельства о поверке; при вводе в эксплуатацию после длительной консервации(более одного межповерочного интервала); при отправке средств измерений потребителюпосле истечения половины межповерочного интервала.

Экспертнаяповерка проводится при возникновении разногласий по вопросам, относящимся к метрологическимхарактеристикам, исправности средств измерений и пригодности их к применению.

Инспекционнаяповерка выполняется в рамках государственного надзора или ведомственного контроля,для контроля качества первичных или периодических поверок и определения пригодностисредств измерений к применению.

3.7.3. Калибровка средств измерений

Внастоящее время в Российской Федерации с переходом к рынку возникла необходимостьпоиска новых форм организации метрологической деятельности, которые соответствовалибы рыночным отношениям в экономике. Одной из таких форм является организация Российскойсистемы калибровки (РСК), схема которой приведена на рис. 3.10.

/>

 

Контрольсредств измерений на предмет их пригодности к применению в мировой практике осуществляетсядвумя основными видами: поверкой и калибровкой.

Калибровкасредства измерений — это совокупность операций, выполняемых калибровочной лабораториейс целью определения и подтверждения действительных значений метрологических характеристики (или) пригодности средства измерений к применению в сферах, не подлежащих государственномуметрологическому контролю и надзору в соответствии с установленными требованиями.

Результатыкалибровки средств измерений удостоверяются калибровочным знаком, наносимым на средстваизмерений, или сертификатом о калибровке, а также записью в эксплуатационных документах.

Поверку (обязательнаягосповерка) может выполнять, как правило, орган государственной метрологическойслужбы, а калибровку — любая аккредитованная и неаккредитованная организация.

Поверка обязательнадля средств измерений, применяемых в сферах, подлежащих Государственному метрологическомуконтролю (ГМК), калибровка же — процедура добровольная, поскольку относится к средствамизмерений, не подлежащим ГМК. Предприятие вправе самостоятельно решать вопрос овыборе форм и режимов контроля состояния средств измерений, за исключением тех областейприменения средств измерений, за которыми государства всего мира устанавливают свойконтроль — это здравоохранение, безопасность труда, экология и др.

Освободившисьот государственного контроля, предприятия попадают под не менее жёсткий контрольрынка. Это означает, что свобода выбора предприятия по „метрологическому поведению“является относительной, все равно необходимо соблюдать метрологические правила.

В развитыхстранах устанавливает и контролирует исполнение этих правил негосударственная организация,именуемая „национальной калибровочной службой“. Эта служба берёт на себяфункции регулирования и разрешения вопросов, связанных со средствами измерений,не подпадающими под контроль государственных метрологических служб.

Желание иметьконкурентоспособную продукцию побуждает предприятия иметь измерительные средства,дающие достоверные результаты.

Внедрениесистемы сертификации продукции дополнительно стимулирует поддержание измерительныхсредств на соответствующем уровне. Это согласуется с требованиями систем качества,регламентируемыми стандартами ИСО серии 9000.

ПостроениеРоссийской системы калибровки (РСК) основывается на следующих принципах: добровольностьвступления; обязательность получения размеров единиц от государственных эталонов;профессионализм и компетентность персонала; самоокупаемость и самофинансирование.

Основноезвено РСК — калибровочная лаборатория. Она представляет собой самостоятельное предприятиеили подразделение в составе метрологической службы предприятия, которое может осуществлятькалибровку средств измерений для собственных нужд или для сторонних организаций.Если калибровка проводится для сторонних организаций, то калибровочная лабораториядолжна быть аккредитована органом РСК. Аккредитацию осуществляют государственныенаучные метрологические центры или органы Государственной метрологической службыв соответствии со своей компетенцией и требованиями, установленными в ГОСТе 51000.2-95»Общие требования к аккредитующему органу".

Порядокаккредитации метрологической службы утвержден постановлением Госстандарта РФ от28 декабря 1995 г. N 95 “Порядок аккредитации метрологических служб юридическихлиц на право проведения калибровочных работ”.

3.7.4. Методы поверки (калибровки) и поверочные схемы[18]

Допускается применение четырех методов поверки (калибровки)средств измерений: непосредственное сличение с эталоном; сличение с помощью компаратора;прямые измерения величины; косвенные измерения величины.

Метод непосредственного сличения поверяемого (калибруемого)средства измерения с эталоном соответствующего разряда широко применяется для различныхсредств измерений в таких областях, как электрические и магнитные измерения, дляопределения напряжения, частоты и силы тока. В основе метода лежит проведение одновременныхизмерений одной и той же физической величины поверяемым (калибруемым) и эталон-нымприборами. При этом определяют погрешность как разницу показаний поверяемого и эталонногосредств измерений, принимая показания эталона за действительное значение величины.Достоинства этого метода в его простоте, наглядности, возможности применения автоматическойповерки (калибровки), отсутствии потребности в сложном оборудовании.

Метод сличения с помощью компаратора основан на использованииприбора сравнения, с помощью которого сличаются поверяемое (калибруемое) и эталонноесредства измерения. Потребность в компараторе возникает при невозможности сравненияпоказаний приборов, измеряющих одну и ту же величину, например, двух вольтметров,один из которых пригоден для постоянного тока, а другой — переменного. В подобныхситуациях в схему поверки (калибровки) вводится промежуточное звено — компаратор.Для приведенного примера потребуется потенциометр, который и будет компаратором.На практике компаратором может служить любое средство измерения, если оно одинаковореагирует на сигналы как поверяемого (калибруемого), так и эталонного измерительногоприбора. Достоинством данного метода специалисты считают последовательное во временисравнение двух величин.

Метод прямых измерений применяется, когда имеется возможностьсличить испытуемый прибор с эталонным в определенных пределах измерений. В целомэтот метод аналогичен методу непосредственного сличения, но методомпрямых измерений производится сличение на всех числовых отметках каждого диапазона(и поддиапазонов, если они имеются в приборе). Метод прямых измерений применяют,например, для поверки или калибровки вольтметров постоянного электрического тока.

Метод косвенных измерений используется, когда действительныезначения измеряемых величин невозможно определить прямыми измерениями либо когдакосвенные измерения оказываются более точными, чем прямые. Этим методом определяютвначале не искомую характеристику, а другие, связанные с ней определенной зависимостью.Искомая характеристика определяется расчетным путем. Например, при поверке (калибровке)вольтметра постоянного тока эталонным амперметром устанавливают силу тока, одновременноизмеряя сопротивление. Расчетное значение напряжения сравнивают с показателями калибруемого(поверяемого) вольтметра. Метод косвенных измерений обычно применяют в установкахавтоматизированной поверки (калибровки).

Для обеспеченияправильной передачи размеров единиц измерения от эталона к рабочим средствам измерениясоставляют поверочные схемы, устанавливающие метрологические соподчинения государственногоэталона, разрядных эталонов и рабочих средств измерений.

Схемы передачиинформации о размерах единиц при их централизованном воспроизведении называют поверочными.

Поверочнаясхема — это утверждённый в установленном порядке документ, регламентирующий средства,методы и точность передачи размера единицы физической величины от государственногоэталона или исходного образцового средства измерений рабочим средствам измерений.

Поверочнаясхема может быть: государственной и локальной.

Государственнаяповерочная схема устанавливает передачу информации о размере единицы в масштабахстраны. Она возглавляется государственными или специальными эталонами.

Локальные поверочные схемы предназначены для метрологическихслужб министерств (ведомств) и юридических лиц. Все локальные поверочные схемы должнысоответствовать требованиям соподчиненности, которая определена государственнойповерочной схемой. Государственные поверочные схемы разрабатываются научно-исследовательскимиинститутами Госстандарта РФ, держателями государственных эталонов. Локальнаяповерочная схема уточняет требования государственной схемы применительно к спецификеданного ведомства. Она возглавляется рабочими эталонами.

Государственные поверочные схемы утверждаются ГосстандартомРФ, а локальные — ведомственными метрологическими службами или руководством предприятия.

Рассмотрим в общем виде содержание государственной поверочнойсхемы (см. рис. 3.9). Наименование эталонов и рабочих средств измерений обычно располагаютв прямоугольниках (для государственного эталона прямоугольник двухконтурный). Здесьже указывают метрологические характеристики для данной ступени схемы. В нижней частисхемы расположены рабочие средства измерений, которые в зависимости от их степениточности (т.е. погрешности измерений) подразделяют на пять категорий: наивысшейточности; высшей точности; высокой точности; средней точности; низшей точности.Наивысшая точность обычно соизмерима со степенью погрешности средства измерениягосударственного эталона. В каждой ступени поверочной схемы регламентируется порядок(метод) передачи размера единицы. Наименования методов поверки (калибровки) располагаютсяв овалах, в которых также указывается допускаемая погрешность метода поверки (калибровки).

3.7.5. Сертификация средств измерений

В соответствиис законом РФ «О сертификации продукции и услуг» в России создана Системасертификации средств измерений, которая предусматривает добровольный характер сертификациии удостоверяет соответствие измерительных средств заявителей метрологическим правилами нормам. При организации Системы принимались во внимание и в большой степени учитывалисьнормативные документы международных организаций ИСО, МЭК, ИЛАК, Системы сертификацииГОСТ Р и Системы сертификатов МОЗМ.

Сертификациюсредств измерений осуществляют аккредитованные органы по сертификации средств измеренийс учетом результатов испытаний, проведенных аккредитованными на техническую компетентностьи независимость испытательными лабораториями (центрами). Проведение испытаний влабораториях (центрах), аккредитованных только на техническую компетентность, допускаетсяпри наличии лицензионного соглашения с органом по сертификации, который в такихситуациях несет ответственность за объективность и достоверность результатов. Аккредитациюорганов по сертификации проводит центральный орган системы.

Организационно в Систему входят: Управление метрологии ГосстандартаРФ — центральный орган системы, координационный совет, апелляционный комитет, научно-методическийцентр — Всероссийский научно-исследовательский институт метрологической службы (ВНИИМС),органы по сертификации, испытательные лаборатории (центры) средств измерений.

3.8. Государственная метрологическая служба РФ

 

3.8.1. Метрологические службы

Позакону РФ “Об обеспечении единства измерений” Государственная метрологическая службанаходится в ведении Госстандарта России и включает:

государственныенаучные метрологические центры;

органыГосударственной метрологической службы на территории республик в составе РоссийскойФедерации, автономной области, автономных округов, краев, областей, городов Москвыи Санкт — Петербурга.

ГосстандартРоссии осуществляет управление деятельностью по обеспечению единства измерений вРоссийской Федерации. На него возложены следующие функции:

межрегиональнаяи межотраслевая координация деятельности по обеспечению единства измерений в РоссийскойФедерации;

представлениеПравительству Российской Федерации предложений по единицам величин, допускаемымк применению;

установлениеправил создания, утверждения, хранения и применения эталонов единиц величин;

определениеобщих метрологических требований к средствам, методам и результатам измерений;

осуществлениегосударственного метрологического контроля и надзора;

осуществлениеконтроля за соблюдением условий международных договоров Российской Федерации о признаниирезультатов испытаний и поверки средств измерений;

руководстводеятельностью Государственной метрологической службы и иных государственных службобеспечения единства измерений;

участиев деятельности международных организаций по вопросам обеспечения единства измерений.

ГосстандартРоссии руководит службой времени и частоты и определения параметров вращения Земли(ГСВЧ), Государственной службой стандартных образцов состава и свойств веществ иматериалов (ГССО) и Государственной службой стандартных справочных данных о физическихконстантах и свойствах веществ и материалов (ГСССД) и координацию их деятельности.

В состав Государственной метрологической службы входят государственныенаучные метрологические центры, Всероссийский научно-исследовательский институтметрологической службы (ВНИИМС), научно-исследовательские институты и около 100центров стандартизации и метрологии.

Научные центры являются держателями государственных эталонов,а также проводят исследования по теории измерений, принципам и методам высокоточныхизмерений, разработке научно-методических основ совершенствования российской системыизмерений. Наиболее крупные среди научных центров:

НПО ВНИИ метрологии имени Д.И. Менделеева (ВНИИМ, Санкт-Петербург),который специализируется на величинах длины и массы, а также механических, теплофизических,электрических, магнитных величинах, ионизирующих излучениях, давлении, физико-химическомсоставе и свойствах веществ.

НПО ВНИИфизико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ, Московская область) занимаетсяэталонами радиотехнических и магнитных величин, времени и частоты, акустическихи гидроакустических величин, а также низких температур, твердости и др.

НПО ВНИИ оптико-физических измерений (ВНИИОФИ, Москва) — это центр по оптическим и оптико-физическим величинам, акустико-оптической спектрорадиометрии,измерениям в медицине, а также единицам измерения параметров лазеров.

Сибирский государственный научно-исслсдовательский институтметрологии (СНИИМ, Новосибирск) занимается радиотехническими, электрическими и магнитнымивеличинами.

Уральскийнаучно-исследовательский институт метрологии (УНИИМ, Екатеринбург) руководит исследованиямипо стандартным образцам состава и свойств веществ и материалов.

ВНИИМС специализируетсяна геометрических и электрических величинах, давлении, параметрах электромагнитнойсовместимости.

Центрами эталонов являются также: ВНИИ расходометрии (Казань),специализация которого — расход и объем веществ; НПО «Эталон» (Иркутск),область деятельности которого — региональные эталоны времени и частоты, а такжеэлектрических величин; НПО Дальстандарт (г. Хабаровск), специализирующееся на региональныхэталонах времени и частоты, а также теплофизических величинах.

Государственныенаучные метрологические центры несут ответственность за создание, совершенствование,хранение и применение государственных эталонов единиц величин, а также за разработкунормативных документов по обеспечению единства измерений.

Органыгосударственной метрологической службы осуществляют государственный метрологическийконтроль и надзор на территориях субъектов РФ.

Государственнаяслужба времени и частоты и определения параметров вращения Земли осуществляет межрегиональнуюи межотраслевую координацию работ по обеспечению единства измерений времени, частотыи определения параметров вращения Земли.

Государственнаяслужба стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов осуществляетмежрегиональную и межотраслевую координацию работ по разработке и внедрению стандартныхобразцов состава и свойств веществ и материалов в отраслях народного хозяйства вцелях обеспечения единства измерений на основе их применения.

Государственнаяслужба стандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществи материалов осуществляет межрегиональную и межотраслевую координацию работ по разработкеи внедрению стандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществи материалов в науке и технике в целях обеспечения единства измерений на основеих применения.

Метрологическиеслужбы государственных органов управления РФ и юридических лиц (предприятия, организации,учреждения) создаются в необходимых случаях в установленном порядке для выполненияработ по обеспечению единства и требуемой точности измерений и для осуществленияметрологического контроля и надзора.

Созданиеметрологических служб или иных организационных структур по обеспечению единстваизмерений является обязательным при выполнении работ в сферах: здравоохранение,ветеринария, охрана окружающей среды, обеспечение безопасности труда; торговые операциии взаимные расчеты между покупателем и продавцом, в том числе на операции с применениемигровых автоматов и устройств; государственные учетные операции; обеспечение обороныгосударства; геодезические и гидрометеорологические работы; банковские, налоговые,таможенные и почтовые операции; производство продукции, поставляемой по контрактамдля государственных нужд в соответствии с законодательством Российской Федерации;испытания и контроль качества продукции в целях определения соответствия обязательнымтребованиям государственных стандартов Российской Федерации; обязательная сертификацияпродукции и услуг; измерения, проводимые по поручению органов суда, прокуратуры,арбитражного суда, государственных органов управления Российской Федерации; регистрациянациональных и международных спортивных рекордов.

Метрологическиеорганы предприятий, являясь важнейшим звеном метрологической службы, призваны обеспечитьнеобходимую и достаточно достоверную измерительную информацию при проектировании,испытании и контроле качества выпускаемой продукции. В связи с этим основными задачамиметрологической службы являются следующие:

1. Обеспечение надлежащего состояния мер и измерительныхприборов, применяемых на предприятии.

2. Систематическое изучение эксплуатационных качеств измерительнойаппаратуры, установление надежности ее работы и оптимальных сроков периодическойповерки.

3. Проведение надзора за состоянием и правильным применениемизмерительной и испытательной техники, за соблюдением установленных методов измеренияи испытаний во всех подразделениях предприятия.

4. Активное участие в вопросах выбора и назначения средствизмерений, активная политика в области автоматизации измерений и разработки, испытанийи внедрения новой прогрессивной измерительной техники, связанной с дальнейшим подъемомтехнического уровня предприятия и повышения качества выпускаемой продукции.

Основныезадачи, права и обязанности таких служб независимо от форм собственности определеныв правилах по метрологии ПР 50-732-93 “Типовое положение о метрологической службегосударственных органов управления и юридических лиц”.

Всостав метрологических служб предприятий и организаций могут входить самостоятельныекалибровочные лаборатории, а также структурные подразделения по ремонту средствизмерений.

3.8.2. Государственный метрологический контроль и надзор

Всоответствии с законом «Об обеспечении единства измерений» государственный метрологическийконтроль и надзор осуществляются Государственной метрологической службой ГосстандартаРоссии.

Государственныйметрологический контроль и надзор (ГМК и Н), осуществляемые с целью проверки соблюденияметрологических правил и норм, распространяютсяна следующиесферы:

q здравоохранение, ветеринарию,охрану окружающей среды, обеспечение безопасности труда;

q торговые операциии взаимные расчеты между покупателем и продавцом, в том числе на операции с применениемигровых автоматов и устройств;

q государственные учетныеоперации;

q обеспечение обороныгосударства;

q геодезические и гидрометеорологическиеработы;

q банковские, налоговые,таможенные и почтовые операции;

q производство продукции,поставляемой по контрактам для государственных нужд в соответствии с законодательствомРоссийской Федерации;

q испытания и контролькачества продукции в целях определения соответствия обязательным требованиям государственныхстандартов Российской Федерации;

q обязательная сертификацияпродукции и услуг;

q измерения, проводимыепо поручению органов суда, прокуратуры, арбитражного суда, государственных органовуправления Российской Федерации;

q регистрация национальныхи международных спортивных рекордов.

Всеразрабатываемые, производимые, поступающие по импорту и находящиеся в эксплуатациисредства измерений делятся на две группы:

1. предназначенные для примененияв сферах распространения ГМК иН). Эти средства измерений признаются годными для примененияпосле их испытаний и утверждениятипа и последующих первичной и периодической поверок;

2. не предназначенные для применения и неприменяемые в сферах распространения ГМК и Н. Заэтими средствами измерений надзор состороны государства (ГосстандартаРоссии) не проводится.

Метрологическийконтроль инадзор метрологическими службами юридическихлиц осуществляются путем:

q калибровки средствизмерений;

q надзора за состояниеми применением средств измерений (аттестованными для выполнения измерений), эталонамиединиц величин (применяемыми для калибровки средств измерений), соблюдением метрологическихправил и норм нормативных документов по обеспечению единства измерений;

q выдачи обязательныхпредписаний, направленных на предотвращение, прекращение или устранение нарушенийметрологических правил и норм;

q проверки своевременностипредставления средств измерений на испытания в целях утверждения типа средств измерений,а также на поверку и калибровку.

Государственныйметрологический контроль включает:

1. утверждение типа средствизмерений;

2. поверку средств измерений,в том числе эталонов;

3. лицензирование деятельностиюридических и физических лиц по изготовлению и ремонту средств измерений[K1] .

Утверждениетипа средствизмерений производится Госстандартом Россиив соответствии с постановлением Госстандарта России от 8.02.94 № 8 «Порядок проведенияиспытаний и утверждения типа средств измерений» и удостоверяетсясертификатом об утверждении типа средствизмерений. Срок действия этого сертификата устанавливается при его выдаче ГосстандартомРоссии. Госстандарт вносит это средство измеренийв Государственный реестр.

Испытаниясредств измерений для целей утверждения их типа проводятся государственными научнымиметрологическими центрами Госстандарта России, аккредитованными им в качестве государственныхцентров испытаний средств измерений.

Система испытаний и утверждения типа средств измерений включает:

q испытания средств измерений с целью утверждениятипа;

q принятие решения об утверждении типа;

q его государственную регистрацию (внесение в реестр)и выдачу сертификата об утверждениитипа;

q испытания средств измерений на соответствие утвержденному типу;

q признание утверждениятипа или результатов испытаний типа, проведенных компетентными организациями зарубежныхстран;

q информационное обслуживание потребителей измерительнойтехники, контрольно-надзорных органови органов государственногоуправления.

Программаиспытаний средствизмерений может предусматривать только определениеметрологических характеристик конкретных образцов средств измерений и экспериментальную апробацию методики поверки, что по объему работравносильно метрологической аттестации.

Насредство измерений утвержденного типа и на эксплуатационные документы, сопровождающиекаждый экземпляр, наносится знак утверждения типа средств измерений установленнойформы.

Всоответствии с международными соглашениями России Госстандарт РФ может принять решениео признании результатов испытаний и утверждения типа, проведенных в зарубежной стране.Это обязательное условие для внесения типа импортируемого средства измерения в Государственныйреестр и его применения в России.

Периодическиеконтрольные испытания изделия на соответствие утвержденному типу проводят в следующихситуациях:

q при наличии информацииот потребителей об ухудшении качества выпускаемых или импортируемых средств измерений;

q при внесении в конструкциюили технологию изготовления средств измерений изменений, влияющих на их нормированныеметрологические характеристики;

q при истечении срокадействия сертификата об утверждении типа;

q по решению ГосстандартаРоссии при постановке на производство средства измерений изготовителем;

q в случае выдачи лицензиина право производства средств измерений предприятию, не являющемуся изготовителемобразцов средств измерений, по результатам испытаний которых утвержден их тип.

Поверкасредств измерений.Средства измерений (СИ), подлежащие государственному метрологическому контролю инадзору, подвергаются поверке органами Государственной метрологической службы привыпуске из производства или ремонта, при ввозе по импорту и эксплуатации. Допускаютсяпродажа и выдача напрокат только поверенных средств измерений.

Вотличие от процедуры утверждения типа, в которой участвует типовой представитель(СИ), поверке подлежиткаждый экземплярСИ.

Перечнигрупп средств измерений, подлежащих поверке, утверждаются Госстандартом России.

Порешению Госстандарта России право поверки средств измерений может быть предоставленоаккредитованным метрологическим службам юридических лиц. Поверочная деятельность,осуществляемая аккредитованными метрологическими службами юридических лиц, контролируетсяорганами Государственной метрологической службы по месту расположения этих юридическихлиц.

Всевыпускаемые средства измерения из производства или ремонта, ввозимые средства измеренийи используемые в целях эксплуатации, проката или продажи, должны быть своевременнопредставлены на поверку. Положительные результаты поверки средств измерений удостоверяютсяповерительным клеймомили свидетельством оповерке.

Подробнеесодержание поверки изложено в п. 3.7.4.

Лицензированиедеятельности юридическихи физическихлиц поизготовлению и ремонту средствизмерений [K2] производится после проверкиорганами Государственной метрологической службы наличия необходимых для этой деятельностиусловий, а также соблюдения лицами, осуществляющими эту деятельность, установленныхметрологических правил и норм. В случаях нарушения установленных условий лицензияаннулируется.

Лицензиявыдается на срок не более пяти лет. Орган, выдавший лицензию, обязан проводить периодическийконтроль за соблюдением условий осуществления лицензируемой деятельности в порядкеустанавливаемом им самим.

С целью развитиямежгосударственных экономических и торговых связей странами СНГ подписано «Соглашениео взаимном признании результатов государственных испытаний и утверждения типа, метрологическойаттестации, поверки и калибровки средств измерений, а также результатов аккредитациилабораторий, осуществляющих испытания, поверку или калибровку средств измерений».В развитие этого Соглашения принят еще один документ «Порядок взаимного признанияаккредитации лабораторий, осуществляющих испытания, поверку или калибровку средствизмерений».

Государственныйметрологический надзор осуществляется за:

1)выпуском, состоянием и применением средств измерений, аттестованными методикамивыполнения измерений, эталонами единиц величин, соблюдением метрологических правили норм;

2)количеством товаров, отчуждаемых при совершении торговых операций;

3)количеством фасованных товаров в упаковках любого вида при их расфасовке и продаже.

Государственныйметрологический надзор осуществляется в объединениях, на предприятиях, в организацияхи учреждениях независимо от их подчиненности и форм собственности в виде провероквыпуска, состояния и применения средств измерений, эталонов и соблюдения иных метрологическихправил и норм. Это распространяется только насредства измерений, относящиеся к сфере распространения государственного метрологическогоконтроля и надзора. Поэтому первоочередная задача каждого предприятия — составитьперечень средств измерений, относящихся к этой классификационной группе, т.е. подлежащихповерке.

Нормативнымиактами субъектов РФ метрологический надзор может быть распространен и на другиесферы деятельности.

Попервову вопросу основным документом, регламентирующимГосударственный надзор, являются правила ПР 50.2.002-94 «ГСИ. Порядок осуществлениягосударственного метрологического надзора за выпуском, состоянием и применениемсредств измерений, аттестованными методиками выполнения измерений, эталонами и соблюдениемметрологических правил и норм».

Основнымизадачами проверок являются:

определениесоответствия выпускаемых средств измерений утвержденному типу;

определениесостояния и правильности применения средств измерений, в том числе эталонов, применяемыхдля проверки средств измерений;

определениеналичия и применения аттестованных методик выполнения измерений;

контрольсоблюдения метрологических правил и норм в соответствии с Законом РФ «Об обеспеченииединства измерений» и действующими нормативными документами по обеспечениюединства измерений.

Повторому вопросу основной документ — правилаПР 50.2.003-94 «ГСИ. Порядок осуществления государственного метрологическогонадзора за количеством товаров, отчуждаемых при совершении торговых операций».

Объектамигосударственного метрологического надзора за количеством товаров, отчуждаемых присовершении торговых операций, являются торговые операции, при которых товары переходятиз собственности одного юридического лица или физического лица в собственность другогоюридического или физического лица, при этом количество товара определяется в результатеизмерений.

Нарушениямиметрологических правил и норм при определении количества товаров, отчуждаемых присовершении торговых операций, считаются:

а)отчуждение меньшего количества товара по сравнению с заявленным для продажи;

б)отчуждение меньшего количества товара, чем то, которое соответствует заплаченнойцене;

в)использование средств измерений, не соответствующих типу, неповеренных, с нарушеннымклеймом, дающих неправильные показания.

По третьему вопросу основным документом являются правилаПР 50.2.004-94 «ГСИ. Порядок осуществления Государственного метрологическогонадзора за количеством фасованных товаров в упаковках любого вида при их расфасовкеи продаже». Метрологические требования к упаковке делятся на две группы: требованияк индивидуальной упаковке и требования к партии товаров в упаковках. Требованияк индивидуальной упаковке сводятся к тому, что недовложение товара в упаковку недолжно превышать допускаемого предела, указанного в нормативной документации напродукцию. Если такая норма не указана, то следует руководствоваться требованиями,содержащимися в международном документе МР № 87 МОЗМ «Содержимое нетто в упаковках».Данное требование легко контролируется традиционными способами. Правила ПР 50.2.004-94вводят единственное дополнение — погрешность определения содержимого нетто фасованноготовара в каждой упаковке при осуществлении Государственного метрологического надзоране должна превышать 1/5 предела допускаемого отклонения (недовложения).

3.8.3. Права и обязанности государственных инспекторовпо обеспечению единства измерений

Государственныйметрологический контроль и надзор осуществляют должностные лица Госстандарта России- главные государственные инспекторы и государственные инспекторы по обеспечениюединства измерений Российской Федерации, республик в составе Российской Федерации,автономной области, автономных округов, краев, областей, городов Москвы и Санкт- Петербурга.

Осуществлениегосударственного метрологического контроля и надзора может быть возложено на государственныхинспекторов по надзору за государственными стандартами, действующих в соответствиис законодательством Российской Федерации и прошедших аттестацию в качестве государственныхинспекторов по обеспечению единства измерений.

Государственныеинспекторы, осуществляющие поверку средств измерений, подлежат аттестации в качествеповерителей.

Привыявлении нарушений метрологических правил и норм государственный инспектор имеетправо:

запрещатьприменение и выпуск средств измерений неутвержденных типов или не соответствующихутвержденному типу, а также неповеренных;

гаситьповерительные клейма и аннулировать свидетельства о поверке в случаях, когда средстваизмерений дают неправильные показания или просрочены межповерочные интервалы;

принеобходимости изымать средства измерений из эксплуатации;

представлятьпредложения по аннулированию лицензий на изготовление, ремонт, продажу и прокатсредств измерений в случаях нарушения требований к этим видам деятельности;

даватьобязательные предписания и устанавливать сроки устранения нарушений метрологическихправил и норм;

составлятьпротоколы о нарушении метрологических правил и норм.

Государственныеинспекторы, осуществляющие государственный метрологический контроль и надзор, обязаныстрого соблюдать законодательство Российской Федерации, а также положения нормативныхдокументов по обеспечению единства измерений и государственного метрологическогоконтроля и надзора.

Заневыполнение или ненадлежащее выполнение должностных обязанностей, превышение полномочийи за иные нарушения, включая разглашение государственной или коммерческой тайны,государственные инспекторы могут быть привлечены к ответственности в соответствиис законодательством Российской Федерации.

3.9. Основы квалиметрии [47]

Квалиметрия — раздел метрологии, изучающий вопросы измерениякачества. Здесь используются те же законы и правила, что и в области измерения физическихвеличин, но есть и некоторые особенности, которые наглядно проявляются в сравнении.

Если мерами физических свойств являются физические величины(масса, время, давление, скорость и др.), то мерами свойств, определяющих качество,служат показатели качества.

Установлено 12 областей измерений физических величин: измерениягеометрических величин; измерения механических величин; измерения давления и вакуума;теплофизические и температурные измерения; измерения времени и частоты; измеренияэлектрических и магнитных величин; измерения акустических величин и др.

Показатели качества в квалиметрии группируются в областях,установленных РД 50-64-84. К ним относятся такие показатели, как назначения; надежности(безотказности, долговечности, ремонтопригодности, сохраняемости); экономного использованиясырья, материалов, топлива, энергии и трудовых ресурсов; эргономические; эстетические;технологичности; стандартизации и унификации и др. (подробнее см. главу 5).

Физические величины используются для описания свойств, всовокупности определяющих качество, но понятия «физическая величина» и«показатель качества» не тождественны. Физические величины отражают объективныесвойства природы, а показатели качества — общественную потребность в конкретныхусловиях. Так, например, масса — физическая величина, а масса изделия — показательего транспортабельности; скорость — физическая величина, а эксплуатационная скоростьавтобуса — показатель его назначения; освещенность — физическая величина, а освещенностьна рабочем месте — эргономический показатель.

Как и физические величины, показатели качества имеют размерностьили могут быть безразмерными. На них в полной мере распространяются все положениятеории размерностей.

Количественной характеристикой показателей качества, каки физических величин, является их размер, который нужно отличать от значения — выраженияразмера в определенных единицах. Размер и значение от выбора единиц не зависят.Например, трудоемкость изготовления и (или) эксплуатации продукции определяетсяколичеством времени, затраченного на изготовление и (или) эксплуатацию единицы продукции,и выражается для промышленных изделий в нормо-часах. Ясно, что трудоемкость изготовленияконкретного узла или агрегата (показатель технологичности продукции) не изменится,если ее выразить, например, в человеко-днях. Не изменяются и экономические показатели,такие, например, как себестоимость или цена изделия, от того, что будут выраженыне в рублях, а в копейках.

Отвлеченное число, входящее в значение показателя качества(равно, как и в значение физической величины), называется числовым значением. Понятно,что оно-то как раз и зависит от выбора единиц.

Значения показателей качества, как и значения физическихвеличин, могут быть абсолютными и относительными. Абсолютные значения физическихвеличин всегда имеют размерность, а относительные — всегда безразмерные. В отличиеот этого абсолютные значения показателей качества могут быть как размерными, таки безразмерными, а относительные — только безразмерными.

Показатели качества делятся на единичные и комплексные. Единичныеотносятся к одному из свойств, определяющих качество, комплексные — сразу к несколькимсвойствам. Комплексные показатели качества могут быть связаны с единичными черезфункциональные зависимости, отражающие объективные законы природы, а могут бытьнекоторой комбинацией их, соответствующей определению комплексного показателя.

В комплексныхпоказателях качества низкие значения одних единичных показателей могут компенсироватьсявысокими значениями других. Иногда это соответствует реальным жизненным ситуациям.

В то же время недопустимо компенсировать низкие значенияглавных, важнейших показателей качества высокими значениями второстепенных. Дляисключения такой возможности комплексный показатель качества домножают на так называемыйкоэффициент вето, обращающийся в 0 при выходе любого из важнейших единичных показателейза допустимые пределы и равный 1 во всех остальных случаях. Благодаря коэффициентувето комплексный показатель качества падает до нуля, если хотя бы один из важнейшихединичных показателей оказывается неприемлемым.

Так же, как производные физические величины, комплексныепоказатели качества можно продолжать и дальше комбинировать между собой, добиваясьвсе большего и большего обобщения свойств, формирующих в целом представление о качестве,Таким образом, структура показателей качества является многоуровневой (рис. 3.11).

Комплексные показатели качества, относящиеся к определеннойгруппе его свойств, называются групповыми. Разновидностью комплексного показателякачества, позволяющего с экономической точки зрения определить оптимальную совокупностьсвойств изделия, является интегральный показатель качества. Например, интегральнымпоказателем качества буровой установки может быть удельная глубина бурения

/>,

где НS — суммарная глубина проходки буровой установки до капитального ремонта, м;Зс, Зэ — соответственно себестоимость и затраты на эксплуатацию буровой установкидо капитального ремонта.

Примером интегрального показателя качества транспортных средствмогут служить удельные затраты на 1 километр пробега, то есть

/> ,

где L- пробег транспортного средства до капитального ремонта,км.

Обобщенный показатель качества относится к такой совокупностисвойств продукции, по которой оценивается ее качество. При экономических расчетахв роли обобщенного комплексного показателя обычно выступает интегральный показателькачества.

3.10. Общие характеристики измерительныхприборов

Измерительный прибор представляет собой устройство, предназначенноедля преобразования измерительной информации в форму, доступную для непосредственноговосприятия наблюдателем.

Измерительные приборы делятся на аналоговые и цифровые.

3.10.1. Аналоговые измерительныеприборы

Аналоговыйизмерительный прибор характеризуется тем, что информативный параметр входного сигнала(измеряемая величина) преобразуется в информативный параметр выходного сигнала (измеренноезначение), при этом информативный параметр выходного сигнала в зависимости от значенияизмеряемой величины может принимать любые значения в пределах заданных границ.

Для обеспечениявозможиости дать заключение относительно значения неизвестной входной величины (измеряемойвеличины) исходя из выходного сигнала измерительного прибора (измеренного значения)необходимо знать градуировочную характеристику измерительного прибора, т. е. особенностипреобразования сигналов при воздействии влияющих величин. Измеряемая величина поступаетс выхода измерительного преобразователя, сравнивается с сигналом согласующего устройства,усиливается, ослабляется и (или) преобразуется, а затем выдается выходным устройствомв виде однозначной информации, воспринимаемой человеком или же направляемой в вычислительныйблок.

Каждый измерительный прибор состоит из трех функциональныхблоков: первичного измерительного преобразователя, согласующего устройства (блокасравнения) и устройства вывода измерительного сигнала. Каждый функциональный блокможет рассматриваться как соединение одинаковых или различных по своим функциональнымхарактеристикам элементов и узлов. При этом не всегда возможно однозначно разграничитьотдельные функциональные блоки.

Первичные преобразователи могут быть активными или пассивнымиэлементами измерительной системы. Активные первичные преобразователи требуют обычнодополнительных источников энергии.

Наиболее широко распространены такие первичные преобразователи,как механическкие, пневматические, гидравлические, оптические, электрические, емкостныеи индуктивные.

Механические первичные преобразователи (см. рис. 3.12) используютсядля линейных и угловых размеров, объема, времени (путем непосредственной силовойили кинематической связи с объектом измерения); силы и давления (через деформируемыеэлементы); температуры (за счет теплового расширения твердых тел, жидкостей и газов).

Пневматические и гидравлические первичные преобразователииспользуются (рис. 3.13) для длин, скоростей (объема), частоты вращения, сил (черезсвязь давления, расхода и сечения сопла) и температуры (через изменение давления).

Оптическиепервичные преобразователи используются (рис. 3.13) для длин и углов (непосредственноеизмерение, через интерференцию света); концентрации растворов (через поляризациюсвета и преломление лучей); механических напряжений (через поляризацию света).

Электрическиепервичные преобразователи подразделяются на:

1) Пассивные электрические преобразователи (рис. 3.14), которыемогут быть: пьезоэлектрическими — для длин, сил и давления (используется пьезоэлектрическийэффект); электродинамическими для колебаний – для частоты вращения, скорости (используетсяпропорциональность индуцируемого в катушке напряжения переменному магнитному потоку,вызванному перемещением катушки); электрическими для температур (используется термоэлектрическийэффект Зеебека); световыми для светового потока (используется светоэффект).

Длина Угол Длина Угол Объем Время

/>/>

je (to)

  />

je

  />/>/>

Se

  Штриховая мера длины Рычаг Резьба Зубчатые колеса Вращающие- ся лопости Маятник Сила Сила Давление Давление Температура Температура />/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>

Sa

 

Te

  />Sa />

pe

  />

pe

  />/> Плоская пружина Деформируемое тело Трубчатая пружина Кольцевой дифманометр Дилатометрический стержень Биметаллическая пластина Рис. 3.12. Механические первичные измерительные преобразователи[46] />/>/>/>/>Длина Скорость (объем) Частота вращения Сила (длина) Сила (длина) Температура

/>

Сопло-заслонка Сопло Вентури Насос с дросселем Пластинчатая пружина Сильфон Газовый манометрич. термометр Длина Длина Угол (длина) Угол (длина) Механич. напряжение Показатель преломлен. />/>/>/>/>

Se

 

Sa

  /> Измерительный микроскоп Интерференционный компаратор Автоколлиматор Наклонное зеркало Поляриметр Рефрактометр Рис. 3.13. Пневматические, гидравлические (вверху) и оптические (внизу) первичныепреобразователи [46]

2) Активные резистивные преобразователи (см. рис. 3.14), которыевключают в себя: резистивные преобразователи длин (используется зависимость длинырезистора и выходного напряжения); резистивные тензометрические преобразователидлины (используется зависимость сопротивления проволоки от ее удлинения) применяютсядля измерения внутренних напряжений в материале; резистивные преобразователи силы(используется изменение сопротивления контактируемых повехностей под действием силы);резистивные преобразователи температуры (используется температурная зависимостьсопротивления проводников и полупроводников).

/>/>/>Сила Частота вращения Частота вращения Скорость Температура Световой поток

/>/>/>

Пьезокристалл Редукцион. тахометр Генератор Подвижная катушка Термоэлемент Фотоэлемент />Длина Длина Сила Электр. ток Температура Свет. поток />/>/>

Ua

  />/> (магнитная индукция) Потенциометр Тензометр. пеобразов. Угольные пластинки Генератор Холла Терморезистор Фоторезистор Рис. 3.14. Пассивные электрические (вверху) и активныересистивные (внизу) первичные измерительные преобразователи [46]

3) Емкостные преобразователи (рис. 3.15), применяемые для измерениядлин (через зависимость емкости от площади электродов и расстояния между ними),уровней и толщин твердого неэлектропроводного вещества (используется зависимостьемкости от смещения границы двух веществ с различными диэлектрическими свойствами,расположенными между пластинами конденсатора).

4) Индуктивные преобразователи (см. рис. 3.15), в которых используетсязависимость индуктивности катушки от изменения магнитного сопротивления, котороепроисходит благодаря изменению магнитного пути или магнитной проницаемости. Этипреобразователи могут быть: перемещения с поперечным якорем (используется изменениемагнитного пути); перемещения с втяжным якорем (используется изменение магнитнойпроницаемости); магнитоупругими (используется принцип магнитоупругости, посколькумагнитная проницаемость ряда материалов зависит от механического напряжения).

Длина Длина Длина Длина (толщина) Длина (уровень) Угол /> Световой поток Дифференц. конденсатор Цилидрич. конденсатор Паралл. расп. граничн. диэл. Перп. расп. граничн. диэлектрика. Повортный конденс. перем. емкости Длина Длина Длина Длина Длина Сила />/>/>/>/>/>

La (Ua)

  Поперечный якорь Дифференц. поперечный якорь Втяжной якорь Дифференц. втяжной якорь Дифференц. трансформатор Магнитоупругий преобразоват.

Рис. 3.15. Активные емкостные (вверху)и индуктивные (внизу) первичные измерительные преобразователи [46]

/>Длина Сила Давление Сила тока

/>/>/>

Ползунковый реостат Поршневая система Струйный усилитель Усилитель на транзисторах Напряжение Мощность Световой поток Освещенность

/>/>/>/>

Xa

  Магнитный усилитель Электромашинный усилитель Фоторезистор Собирающая линза

Рис.3.16. Усилительные звенья [46]

Согласующие устройства аналоговых измерительных сигналовмогут вкючать в себя: измерительную мостовую схему; измерительный усилитель (механические,гидравлические, пневматические, электрические магнитные и оптические) (рис. 3.16);демпфирующие звенья (резинометаллические, поршневые, воздушные, на вихревых токах,электические демпфирующие резисторы, тепловые экраны, поглощаюшие фильтры, поляризационныефильтры); вычислительные элементы (звенья).

Устройства вывода измерительного сигнала. Представление измеренного значения в аналоговой формехарактеризуется непрерывным изменением относительного положения указателя (индекса,метки) и шкалы. В зависимости от вида представляемых входных сигналов существуютсистемы с механическими, пневматическими или электрическими измерительными свойствами(рис. 3.17). Длина Длина Уровень Частота вращения Сила

/>

Штангенциркуль Индикатор часового типа Поплавок Центробежный регулятор Поршневой манометр Давление Расход Напряжение Сила тока Температура Мембранная коробка Напорный диск Измерит. мех. магнитоэлектрич. прибора Измерит. мех. прибора тепловой системы Биметаллически термометр

Рис.3.17. Аналоговые показывающие приборы [46]

С целью снижения субъективных влияний, особенно при измерениибыстро изменяющихся во времени величин, осуществляется регистрация выходных величин.Аналоговыми регистрирующими приборами являются приборы: с непрерывной записью, точечнойзаписью, с непрерывной световой записью, светолучевые осциллографы, электронно-лучевыеосциллографы, регистрирующие устройства на магнитной ленте.

3.10.2. Цифровые измерительные приборы

Интенсификацияпроизводственных процессов и научных исследований тесно связана с проведением измеренийи обработкой результатов измерений при помощи автоматических измерительных систем.Переход к цифровой технике способствует использованию автоматических измерительныхсистем и методов активного контроля в процессе производства. В исторически короткоевремя цифровые измерительные приборы получили поэтому очень широкое применение.

Измеряемыевеличины разделяют на аналоговые, обладающие несчетным множеством значений по размеру,и квантованные, обладающие счетным множеством значений по размеру.

Применениецифровой измерительной техники связано с квантованием измеряемых величин и их кодированием.

Квантованиевеличины – это операция создания при помощи меры или масштабного преобразователясигнала, абсолютные или относительные размеры параметров которого имеют ограниченноечисло значение.

Кодирование– это операция перевода по определенным правилам формального объекта, выраженногосовокупностью кодовых символов одного алфавита, в формальный объект, выраженныйсимволами другого алфавита. При кодировании в качестве символов используют буквыалфавита, цифры в определенной системе счисления и различные условные знаки. Наиболеешироко применяется числовое кодирование.

Цифроваяизмерительная техника имеет следующие преимущества по сравнению с аналоговой:

незначительныепогрешности отсчета благодаря устранению субъективных влияний (параллакса, усталости,психофизиологических особенностей операторов);

быстрая и простая регистрация измеренных значений (запись,печать, запоминание);

удобство контроля за технологическим процессом путем подключенияк центральному контрольно-измерительному пункту и использования управляющей вычислительноймашины;

обеспечение автоматизации технологического процесса (измерение,управление, регулирование) путем подключения к управляющей вычислительной машине,работающей в реальном масштабе времени;

простота коррекции погрешностей измерений с использованиемсоответствующих подпрограмм в электронных вычислительных устройствах.

На рис. 3.18приведены принципиальные структуры аналоговых и цифровых измерительных систем.

Погрешностьизмерений при использовании цифровых измеритель-

ных приборов(не связанная с погрешностями, вызываемыми отдельными измерительными звеньями) зависитот наименьшего шага квантования.

/>

Рис. 3.18.Принципиальные структуры аналоговых и цифровых измерительных систем [46]

Цифровые измерительные приборы могут быть с аналого-цифровымпреобразованием: на входе системы (чисто цифровые измерительные системы) характеризуютсятем, что аналого-цифровой преобразователь одновременно является первичным измерительнымпреобразователем; на выходе; промежуточное (непрерывное преобразование величин вцифровые).

Наиболее часто используемые на практике измерительные системыс аналого-цифровым преобразованием на входе содержат первичные преобразователи линейныхи угловых величин, а также преобразователи частоты.

Цифровые измерительные системы с аналого-цифровым преобразованиемна выходе системы характеризуются тем, что аналого-цифровой преобразователь подключаетсяк аналоговому согласующему устройству (усилителю, фильтру, решающему устройствуи т. д.). Обычно для этого применяют аналого-цифровые преобразователи.

В цифровых измерительных системах с промежуточным преобразованиемнепрерывных величин в цифровые аналого-цифровой преобразователь располагается междуаналоговым первичным преобразователем и цифровым согласующим устройством (усилителем,фильтром, решающим устройством и т.д.) и цифровые сигналы на выходе согласующегоустройства снова преобразуются в аналоговые сигналы, например, для управления процессомс помощью гибридной аналого-цифровой техники.

Первичный преобразователь воспринимает непосредственно иликосвенно измеряемую величину и формирует информативный параметр измерительного сигнала.Хорошо зарекомендовали себя цифровые измерительные преобразователи длин и углов,а также квазицифровые частотные измерительные преобразователи. Наряду с ними находятприменение цифровые измерительные преобразователи усилия в перемещение.

3.11. Расчет точности кинематических цепей

В различных областях машиностроения и приборостроения применяютмеханизмы и механические передачи, к которым предъявляются требования кинематическойточности. Под кинематической точностью механизма или передачи понимается строгаясогласованность движений (перемещений, скоростей или ускорений) ведомого и ведущегозвеньев кинематической цепи. В одних механизмах требования относятся к угловым поворотамзвеньев, в других — к согласованности угловых поворотов и линейных перемещений.

Ошибкой механизма, характеризующей его точность, называютотклонение действительного значения его выходного параметра от расчетного (идеального)значения. Ошибки механизмов возникают, главным образом, вследствие приближенностивыбранной схемы, технологической неточности изготовления звеньев и элементов кинематическихпар, неточности монтажа, износа трущихся элементов, внешних силовых воздействий,внутренних силовых явлений в механизмах при их движении и отличия условий эксплуатации(например, температуры и влажности окружающей среды) от номинальных.

В зависимости от характера связей между выходными и входнымипараметрами, т. е. вида уравнений, описывающих поведение кинематической цепи, различаюткинематические и динамические ошибки механизмов.

Кинематическая ошибка механизма определяется в основном егопервичными ошибками, к которым относят отклонения размеров элементов кинематическихпар, их формы и расположения от идеальных. К первичным ошибкам относятся:

1. Ошибка схемы (структурная ошибка) механизма возникаетв том случае, если вместо идеального выбран теоретический механизм с более простойсхемой, чем требуется. Так делают для улучшения эксплуатационных качеств механизма,т. е. чтобы его ошибка была меньше, чем ошибка механизма с идеальной, но более сложнойсхемой.

2. Ошибка положения механизма — отклонение положений ведомыхзвеньев действительного и соответствующего ему идеального механизма при одинаковыхположениях из ведущих звеньев. Если же ведущее звено действительного механизма займетнеправильное положение, то соответствующее отклонение положения его ведомого звенаназывают ошибкой положения ведомого звена, или конечной ошибкой механизма.

3. Ошибка перемещения механизма, под которой понимают разностьперемещений ведомых звеньев действительного и идеального механизмов при одинаковыхперемещениях их ведущих звеньев.

4. Мертвый ход — это ошибка, появляющаяся для одного и тогоже положения ведущего звена, но при различном направлении его движения. Эта ошибкасущественно влияет на точность механических систем с реверсивным движением. Мертвыйход возникает вследствие зазоров в кинематических парах или упругой деформации звеньев.

Ясно, что результирующая точность любой сложной механическойсистемы в конечном счете определяется точностью составляющих ее простых.

Методы определения ошибок механизмов. По форме методы решениязадач точностных анализа и синтеза механизмов могут основываться на различных приближениях,в том числе теоретико-вероятностных. Известны следующие методы:

1. Аналитические — наиболее приемлемы для тех механизмов,для которых легко вывести функцию положения и вычислить частные производные безнеобходимости учитывать ошибки взаимного расположения и формы элементов кинематическихпар.

2. Метод преобразованного механизма удобен для плоских механизмовс низшими парами, в которых основное влияние на точность оказывают ошибки размеровзвеньев. Он весьма нагляден и достаточно точен при инженерных расчетах.

3. Метод планов малых перемещений применяется для тех жемеханизмов, что и предыдущий метод.

4. Метод относительных ошибок удобен для рычажных и фрикционныхмеханизмов, упрощающий решение многих задач.

5. Метод плеча и силы применим к быстродействующим счетно-решающимустройствам с зубчатыми и кулачковыми механизмами, на точность которых существенновлияют ошибки взаимного расположения и формы элементов кинематических пар.

Аналитический (дифференциальный) метод. Существует несколькоподходов к решению этой задачи. Рассмотрим решение, изложенное в [17], для механизмовс голономными связями, в которых ограничены возможные перемещения звеньев, но неограничены скорости точек.

В идеальном механизме с функциональными зависимостями, несодержащими дифференциальных операций, координата выходного (ведомого) звена можетбыть представлена функцией

Y0 = Y0 (j, q1, Q2, …, qn),

Y0 — координата выходногозвена идеального механизма; j — координата входного звена; qi — значения метрических параметров звеньев,которые полностью определяют размеры, форму и взаимное расположение звеньев механизма.

Положение ведомого звена действительного механизма определяетсякоординатой

Y = Y0 + DYвм =Y(j + Dj, q1 + Dq1, …, qn + Dqn), (3.16)

где DYвм — ошибка положения ведомого звена действительного механизма;Dj —ошибка положения ведущего звена.

Ошибки Dqi обычно не более допусков на размеры звеньев и, следовательно, малы по сравнениюсо значениями параметров qi.

После разложения функции (3.16) в ряд Тейлора и, ограничиваясьтолько нулевыми и линейными его членами, получим:

/>,

откуда найдемприближенное выражение для ошибки положения ведомого звена действительного механизма:

/>. (3.17)

Индекс 0 у частных производных указывает на то, что они должнывычисляться для идеальных (точных) значений параметров qi и обобщенной координатыj.

Формула (3.17) справедлива для действительного механизма,имеющего первичные ошибки, но выполненного по идеальной схеме. В общем же случаепараметр DYвм зависит также и от структурной ошибки механизма:

/>,

где DYс = Yт — Y0 — ошибка схемы;Yт — функция положениятеоретического механизма; Y0 — функция положения идеального механизма.

Ошибка положения действительного механизма с идеальной схемой

/>. Ошибка положения, вызванная толькоодной первичной ошибкой Dqkпараметра qk, DYk = (¶Y/¶qk)0×Dqk .

Из формулы (3.17) следует, что ошибка положения ведомогозвена механизма равна сумме ошибок, вызываемых каждой первичной ошибкой в отдельности.Вследствие этой независимости действия первичных ошибок вычисление суммарной ошибкиположения механизма или положения его ведомого звена не представляет сложности.Лишь для некоторых механизмов вычисление частных производных (¶Y/¶qi)0 громоздко и тогда более предпочтительным может бытьграфоаналитический метод определения ошибок.

Первичные ошибки могут быть скалярными (ошибки длин звеньев),люфтовыми (перемещения звеньев вследствие зазоров в кинематических парах) и векторными(эксцентриситеты вращающихся звеньев, перекосы осей шарниров и поступательных пар).Поэтому результирующая (суммарная) ошибка положения механизма

/>,

где индексы i, j и n относятся соответственно к люфтовым, скалярным и векторнымошибкам.

Для несколькиходнотипных реальных механизмов все первичные ошибки Dqi, Dqj Dqn будут независимыми и случайными.То же можно сказать и в отношении всех частных производных. Таким образом, частныеошибки, как составляющие результирующей ошибки серии однотипных механизмов, рассеиваютсяв своих значениях, подчиняясь тем или иным законам распределения вероятностей. Большойпрактический интерес представляет проверочный расчет результирующей ошибки сериимеханизмов теоретико-вероятностным методом, если предельные отклонения (допуски)первичных ошибок и законы их распределения известны.

Посколькучастные производные — не случайные величины и их значения известны для каждого положениямеханизма, ошибки DY определяют на основе свойствматематического ожидания М и среднего квадратичного отклонения s:

/>; /> .

Другие вариантыаналитического расчета точности кинематической цепи изложены, например, в [2], [20]и др.

С методомипреобразованного механизма, планов малых перемещений и относительных ошибок можнопознакомиться в [17].