1. Основы метрологического обеспечения

Метрология — это наука, изучающая методы измерений, средства измерений, метрологические свойства и метрологические характеристики средств измерений.

Квалиметрия — это наука об измерении и количественной оценке качества предметов и процессов, ᴛ.ᴇ. объектов реального мира.

Квалиметрия и метрология – тесно связанные научные дисциплины об измерениях.

Их взаимосвязь состоит в том, что метрология дает исходный материал для оценки качества методами квалиметрии.

Различие состоит в том, что метрология дает возможность определять количественную меру физических свойств предметов, квалиметрия стремится осуществлять количественную меру как физических, так и всех других (эстетических, экономических, социальных, потребительских и т.п.) свойств предметов.

Квалиметрия стремится также давать им качественную оценку.

Метрология, занимаясь определением количественных характеристик различных объектов, занимается измерениями, но не оценками качества продукции.

Пять килограмм веса какого-то предмета еще ничего не говорят о том, много это или мало, хорошо это или плохо и что целесообразно предпринять для того, чтобы стало лучше. Метрология является измерительной базой, на которую опирается квалиметрия при построении части своих оценок.

Что касается квалиметрии, то ее задача в значительной степени состоит в нахождении количественных измерений и оценок, необходимых для обоснования качественного содержания объектов и принятия решений. Такие квалиметрические оценки получаются часто путем измерения и сравнения физических, экономических, эстетических и других показателей с лучшими образцами (эталонами). Наряду с метрологическими эталонами существуют эталоны квалиметрические, эталоны качества.

Стандартизация – процесс разработки стандартов и норм, а также адаптации стандартов и норм к международным нормам и нормам других стран, в целях их добровольного многократного использования, направленный на достижение упоря-доченности в сферах производства.

Влияние стандартизации на улучшение качества продукции осуществляется через комплексную разработку стандартов на сырье, материалы, комплектующие изделия, оборудование и готовую продукцию, а также через установление в стандартах технологических требований и показателей качества, единых методов испытаний и средств контроля.

Стандартизацию следует рассматривать как эффективное средство обеспечения качества, совместимости, взаимозаменяемости продукции и ее составных частей.

Измерение – это процесс, заключающейся в определении количественных значений тех или иных свойств, сторон изучаемого объекта, явления с помощью специальных технических устройств.

Измерения — важнейший этап деятельности исследователей и экспериментаторов во всех отраслях науки и техники.

Измерительная аппаратура — основное оборудование научно-исследовательских институтов и лабораторий, неотъемлемая часть оснастки любого технологического процесса.

Процесс измерения современными измерительными устройствами состоит в целенаправленном преобразовании измеряемой величины в форму, наиболее удобную для конкретного использования (восприятия) человеком или машиной. Например, смысл действия всех электроизмерительных приборов (амперметров, вольтметров, гальванометров и др.) заключается в том, что с их помощью измеряемая электрическая величина, изменения которой непосредственно органами чувств человека не могут быть оценены количественно, преобразуется в определённое механическое перемещение указателя (стрелки или светового луча).

Таково же назначение и многих механических измерительных приборов и измерительных преобразователей, с помощью которых разнообразные физические величины преобразуются в механическое перемещение (штангенциркуль, микрометр, пружинные весы, ртутный термометр, пружинный манометр или барометр, волосяной гигрометр и т. п.)

Обеспечение единства измерений (метрологическое обеспечение) – деятельность, направленная на достижение и поддержание единства измерений в соответствии с требованиями законодательства Республики Беларусь об обеспечении единства измерений.

Метрологическое обеспечение производства (МОП) включает в себя установление и применение научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерений.

Обеспечение единства измерений является одной из ключевых позиций повышения качества надежности и долговечности любых изделий промышленности, а измерительная информация как результат МОП, становится основой управления качеством.

Научной основой обеспечения единства измерений является метрология.

Организационной основой является государственная метрологическая служба (ГМС) и метрологические службы республиканских органов государственного управления и юридических лиц.

Технической основой МОП являются

• система национальных эталонов единиц физических величин;
• система передачи размеров единиц физических величин;
• система разработки, постановки на производство и выпуска в обращение рабочих средств измерений;
• система стандартных образцов состава и (или) свойств веществ (материалов), стандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществ и материалов;
• метрологический контроль, включающий утверждение типа средств измерений; метрологическую аттестацию средств измерений; поверку; калибровку; метрологическое подтверждение пригодности МВИ.

2. Физические величины и их единицы

Физическая величина — это свойство, общее в качественном отношении многим объектам (системам, их состояниям и происходящим в них процессам), но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта.

Физическая величина отображает свойства объектов, которые можно выражать количественно в принятых единицах.

Размер физической величины — это количественная определенность физической величины, присущая конкретному материальному объекту, системе, процессу или явлению.

Значение физической величины — это выражение физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц измерения.

Истинное значение физической величины – это значение физической величины, которое идеальным образом характеризует в качественном и количественном соотношении соответствующую физическую величину.

Единица физической величины — физическая величина, которой по определению придано значение, равное единице.

Можно сказать также, что единица физической величины — такое ее значение, которое принимают за основание для сравнения с ним физических величин того же рода при их количественной оценке.

Для построения системы единиц выбирают произвольно несколько физических величин.

Они называются основными. Величины, определяемые через основные, называются производными.

Совокупность основных и производных величин называется системой физических величин.

Система физических величин используется для построения системы единиц физических величин.

Единица физической величины представляет собой значение этой величины, принятое за основание для сравнения с ней значений величин того же рода при их количественной оценке. Ей по определению присвоено числовое значение, равное 1.

Единицы величин, входящих в систему, называются системными.

Внесистемные единицы — это единицы, не входящие в систему (единица мощности — лошадиная сила, единица энергии — киловатт-час, единицы времени — час, сутки, единица температуры — градус Цельсия и многие другие).

Кратной единицей называется такая, которая в целое число раз больше системной или внесистемной единицы: килогерц, мегаватт.

Дольной единицей называется такая, которая в целое число раз меньше системной или внесистемной единицы: миллиампер, микровольт.

Относительные величины могут выражаться в безразмерных относительных единицах, в процентах, в промилле.

Логарифмическая величина представляет собой логарифм безразмерного отношения двух одноименных величин: бел (Б)

2.1. Системы единиц физических величин

Система СГС. основными единицами являются сантиметр как единица длины, грамм как единица массы и секунда как единица времени, была установлена в 1881 г.

Система МКГСС. Применение килограмма как единицы веса, а в последующем как единицы силы вообще, привело в конце XIX века к формированию системы единиц физических величин с тремя основными единицами: метр — единица длины, килограмм-сила — единица силы и секунда — единица времени.

Система МКСА. Основы этой системы были предложены в 1901 г. итальянским ученым Джорджи. Основными единицами системы МКСА являются метр, килограмм, секунда и ампер.

В 1954 г. Х Генеральная конференция по мерам и весам установила шесть основных единиц (метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин и свеча) практической системы единиц.

Система, основанная на утвержденных в 1954 г. шести основных единицах, была названа Международной системой единиц, сокращенно СИ

(SI— начальные буквы французского наименования Systeme International). Был утвержден перечень шести основных, двух дополнительных и первый список двадцати семи производных единиц, а также приставки для образования кратных и дольных единиц.

3. Измерение. Виды и методы измерений. Качество измерений

Измерение — процесс, заключающийся в сравнении путем физического эксперимента данной физической величины с известной, принятой за единицу измерения.

Измерение — нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.

Результатом процесса является значение физической величины:

Q = q·U

где q — числовое значение физической величины в принятых единицах; U — единица физической величины.

Значение физической величины Q, найденное при измерении, называют действительным.

Принцип измерений — это совокупность физических явлений, на которых основаны измерения. Например, измерение температуры с использованием термоэлектрического эффекта; измерение расхода газа по перепаду давления в сужающем устройстве.

Конкретные методы измерений определяются видом измеряемых величин, их размерами, требуемой точностью результата, быстротой процесса измерения, условиями, при которых проводятся измерения, и рядом других признаков.

3.1. Виды измерений

Прямым измерением называют измерение, при котором значение измеряемой физической величины находят непосредственно из опытных данных.

Косвенными измерениями называют измерения, при которых значение величины определяют на основании известной зависимости между искомой величиной и величинами, значения которых находят прямыми измерениями.

Совокупные измерения это такие измерения, при которых значения измеряемых величин определяют по результатам повторных измерений одной или нескольких одноименных величин при различных сочетаниях мер или этих величин. Значение искомой величины определяют решением системы уравнений, составляемых по результатам нескольких прямых измерений.

Совместные измерения — это измерения, производимые одновременно двух или нескольких разноименных величин для нахождения функциональной зависимости между ними.

Обыкновенные измерения — измерения, выполняемые с однократным наблюдением;

Статистические измерения — измерения с многократными наблюдениями.

Cтатические – это вид измерения, при которых измеряемая величина остается постоянной во времени в процессе измерения;

Динамические – это вид измерения, при которых измеряемая величина изменяется в процессе измерения и является непостоянной во времени.

Дискретные измерения – измерения, при которых на заданном интервале времени число измеряемых мгновенных значений конечно.

Непрерывные (аналоговые) – измерения, при которых на заданном интервале времени число измеряемых мгновенных значений бесконечно.

Методы измерений — часть области измерений, состоящая в различии приемов использования принципов и средств измерений.

Метод непосредственной оценки характеризуется тем, что значение измеряемой величины определяется непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора, заранее градуированного в единицах измеряемой величины. Этот метод является наиболее простым и поэтому широко применяется при измерении различных величин, например: измерение веса тела на пружинных весах, силы электрического тока стрелочным амперметром, разности фаз цифровым фазометром и т.д.

Метод сравнения с мерой – метод измерений, в которых известную величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Эти методы по сравнению с методом непосредственной оценки более точны, но несколько сложны.

Пример: измерение длины линейкой.

Группа методов сравнения с мерой включает в себя следующие методы:

• нулевой,
• дифференциальный,
• совпадения
• замещения.

Нулевой метод является разновидностью метода противопоставления, в котором результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля. Этим методом измеряют электрическое сопротивление по схеме моста с полным его уравновешиванием.

Дифференциальный метод представляет собой метод сравнения с мерой, в котором на измерительный прибор (обязательно прибор сравнения) воздействует разность измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой, причем эта разность не доводится до нуля, а измеряется измерительным прибором прямого действия.

Метод совпадений (или метод «нониуса») представляет собой метод сравнения с мерой, в котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов.

Метод замещения представляет собой метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой. Например, взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашку весов.

3.2. Качество измерений

Точность измерения – это степень приближения результатов измерений к истинному значению измеряемой величины.

Термин «точность» применим лишь для сравнения результатов или относительной характеристики методов измерений, например, точность измерения длины с помощью микрометра больше, чем при измерении с помощью штангенциркуля.

Правильность — свойство измерений, отражающее близость к нулю систематических погрешностей в их результатах. Результаты измерений правильны, когда они не искажены систематическими погрешностями.

Сходимость — свойство измерений, отражающее близость друг другу результатов измерений, выполняемых в одинаковых условиях, одним и тем же средством измерения, одним и тем же оператором.

Воспроизводимость — свойство измерений, отражающее близость друг к другу результатов измерений, выполняемых в различных условиях — в различное время, в разных местах, разными методами и средствами измерений. В процедурах испытаний продукции воспроизводимость, как и сходимость, также является важнейшей характеристикой.

Достоверность измерений – это характеристика, определяющая степень доверия к полученным результатам измерений.

По реализованной точности и по степени рассеяния результатов при многократном повторении измерений одной и той же величины различают:

Равноточные измерения – ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности средствами измерений в одних и тех же условиях с одинаковой тщательностью.

Неравноточные измерения – ряд измерений какой-либо величины, выполненных различающимися по точности средствами измерений и (или) в разных условиях.

Измерения в двух сериях считают равнорассеянными.

Неравнорассеянными измерения в зависимости от совпадения или различия оценок случайных составляющих погрешностей измерений сравниваемых серий 1 и 2.

При измерительном контроле одного объекта либо группы однотипных объектов представительными могут считаться только те результаты, которые адекватно отражают исследуемые свойства объекта или группы объектов.

3.3. Погрешности измерений

Погрешность измерения – это отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины.

Причины появления погрешностей – неверный выбор методов измерения, неверный подбор средств измерения и невнимательность ошибка оператора.

Источниками появления погрешностей при измерениях могут служить различные факторы, основными из которых являются несовершенство конструкции средств измерений или принципиальной схемы метода измерения, неточность изготовления средств измерений, несоблюдение внешних условий при измерениях, субъективные погрешности и т. д.

Применяются четыре способа исключения погрешностей:

1. Ликвидация источников погрешностей до начала измерения (профилактика измерений).
2. В процессе измерений (экспериментальное исключение).
3. По окончанию измерений путем добавления поправок (вычислением).
4. Перевод не исключенных систематических погрешностей в разряд случайных и выполнение многократных измерений

Случайной погрешностью измерения называют погрешность, которая при повторных измерениях одной и той же величины в одних и тех же условиях изменяется случайным образом по знаку и (или) величине. Случайная составляющая погрешности возможна из-за трения в опорах подвижной части прибора, колебаний температуры окружающего воздуха, влияния магнитных и электрических промышленных потерь и пр.

Систематической погрешностью измерения называется погрешность, которая при повторных измерениях одной и той же величины в одних и тех же условиях остается постоянной или закономерно изменяется. Источником систематической погрешности может служить, например, неточное нанесение отметок на шкалу стрелочного прибора, деформация стрелки.

При измерениях могут появляться также очень большие грубые погрешности (промахи), которые возникают, как правило, из-за ошибок или неправильных действий оператора, а также из-за кратковременных отказов или сбоев в работе измерительных приборов и других резких изменений условий проведения измерений.

Наиболее характерными из них являются: неправильный отсчет по шкале измерительного устройства, неправильная запись результата наблюдения (описка), неправильная запись значений отдельных мер использованного набора и т. п., ошибки при действиях с приборами, если они повторяются при измерениях.

4. Погрешности измерений

Виды систематических погрешностей. По виду источника:

Методические – составляющая систематической погрешности измерений, обусловленная несовершенством принятого метода измерений.

Инструментальные – составляющая систематической погрешности измерений, обусловленная погрешностью применяемого средства измерения.

Субъективные – составляющая систематической погрешности измерений, обусловленная индивидуальными особенностями оператора.

По характеру проявления:

Постоянные – составляющая систематической погрешности измерений, обусловленная неправильной установкой начала отсчета, неправильной градуировкой и юстировкой средств измерения и остаются постоянной при всех повторных наблюдениях.

Переменные – меняющиеся с течением времени. Они делятся:

Прогрессирующие – непрерывно возрастающие или убывающие погрешности (погрешности вследствие износа измерительных наконечников, контактирующих с деталью при контроле )

Периодические – погрешности, значение которых является периодической функцией времени или перемещения указателя измерительного прибора.

Изменяющиеся по сложному закону – погрешности, которые происходят вследствие совместного действия нескольких систематических погрешностей.

Статическая погрешность – это погрешность, которая возникает в процессе измерения постоянной (не изменяющейся во времени) величины.

Динамическая погрешность – это погрешность, численное значение которой вычисляется как разность между погрешностью, возникающей при измерении непостоянной (переменной во времени) величины, и статической погрешностью (погрешностью значения измеряемой величины в определенный момент времени).

По степени полноты информации об их характере и значениях:

Определенные можно отнести любые известные по числовому значению и знаку погрешности.

Неопределенные следует отнести невыявленные систематические, а также погрешности случайные (собственно случайные) и грубые погрешности, значения которых не были определены экспериментально.

Неисключенные остатки систематических погрешностей имеют место при любом, даже самом тщательном выявлении и исключении систематических составляющих. В принципе эти погрешности могут быть выявлены и исключены (как систематические), однако иногда они остаются невыявленными из-за сложности технического решения такой задачи.

5. Средства измерений физических величин

Средство измерения (СИ) — это техническое средство или совокупность средств, применяющееся для осуществления измерений и обладающее нормированными метрологическими характеристиками. При помощи средств измерения физическая величина может быть не только обнаружена, но и измерена.

Меры – это средства измерения определенного фиксированного размера, многократно используемые для измерения.

Измерительный преобразователь – средство измерения, которое преобразует сигнал измерительной информации в форму, удобную для его передачи, последующего преобразования, а затем обработки и хранения.

Измерительный прибор – средство измерения, которое, в отличие от преобразователя, служит для выработки сигнала в форме, которая доступна для непосредственного восприятия наблюдателем.

Измерительные установки – это совокупность средств измерений (меры, измерительные приборы и преобразователи) и вспомогательных устройств, объединенных функционально.

Измерительные системы – представляет собой такую же совокупность, но составляющие ее звенья соединены между собой каналами связи, которые размещены в разных точках контролируемого пространства.

Система измерения геометрии кузова автомобиля Измерительные индикаторы – представляет собой такую же совокупность, но составляющие ее звенья соединены между собой каналами связи, которые размещены в разных

точках контролируемого пространства.

5.1. Структурная схема средств измерений

На рис. приведены структурные схемы измерительных устройств прямого действия (а, в) и сравнения (б, г).

Первое часто называют измерительными устройствами прямого преобразования, а второе – измерительными устройствами уравновешивающего, или компенсационного, преобразования.

1). Чувствительный элемент; 2). Промежуточный преобразовательный элемент; 3). Измерительный механизм; 4). Выходной сигнал; 5). Преобразовательный элемент;

Метрологические характеристики средств измерения — характеристика одного из свойств средства измерений, влияющая на результат измерений и его погрешность.

Метрологические характеристики, устанавливаемые нормативными документами на средства измерений, называют нормируемыми метрологическими характеристиками, а определяемые экспериментально – действительными.

Выделяют следующие метрологические характеристики измерительного инструмента:

1. Диапозон измерения;
2. Стабильность средств измерений;
3. Градуировочная характеристика средств измерений;
4. Погрешность средств измерения

Статические характеристики средств измерений:

1. Функция (характеристика) преобразования – функциональная зависимость выходной величины от входной, которая может быть задана формулой, таблицей, графиком;
2. Чувствительность преобразования — отношение изменения выходной величины прибора или измерительного преобразователя к вызвавшему ее изменению входной величины;
3. Порог чувствительности — изменение значения измеряемой величины, способное вызвать наименьшее обнаруживаемое изменение выходной величины.

5.2. Статические погрешности средств измерений

Частные метрологические характеристики

Цена деления шкалы – разность значений величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы;

Предел показаний и измерений – это минимальное (нижний предел) и максимальное (верхний предел) значения шкалы прибора.

Диапазон показаний – область значений шкалы прибора, ограниченная начальной и конечной отметками шкалы.

Диапазон измерений – область значений измеряемой величины, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности прибора.

• Выходной код;
• Число разрядов кода;
• Номинальная цена единицы наименьшего разряда кода;
• Номинальная ступень квантования.