МЕТРОЛОГИЯ
Глава 1. Сущность и назначение метрологии
1.1. Метрология и ее составляющие
Метрология (от греч. «metron» — мера, «logos» — учение) — наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.
Предмет метрологии — измерения, их единство и точность. Метрология включает в себя методы выполнения практически всех измерительных работ на производстве, а также их правовые и теоретические основы.
Правовые основы (законодательная метрология) обеспечивают
В единообразие средств и единство измерений посредством установленных государством правил. Государственное регулирование выполняется посредством правовых актов через федеральные органы исполнительной власти (министерства и ведомства), Государственную метрологическую службу и метрологические службы предприятий и организаций.
Теоретическая (фундаментальная) метрология разрабатывает фундаментальные основы данной науки.
Прикладная (практическая) метрология освещает вопросы практического применения разработок теоретической и положений законодательной метрологий.
Для обеспечения единства измерений выполняются следующие условия:
• применяются только узаконенные правилами единицы измерений;
• устанавливается допустимые погрешности измерений и пределы, за которые они не должны выходить при заданной вероятности.
Основными документами метрологии являются Закон РФ «Об обеспечении единства измерений» и стандарты государственной системы обеспечения единства измерений, которые объединены в следующие группы:
• стандартные справочные данные; стандартные образцы; эталоны единиц физических величин; методики и условия измерений; измерения геометрических, механических, электрических и других величин (например, объем, физико-химический состав и свойства материала);
• методы поверки, калибровки и аттестации. В настоящее время действует более 3 тысяч государственных стандартов на методы контроля и испытаний различных видов продукции.
1.2. Метрологическое обеспечение как основа подтверждения соответствия продукции и услуг требованиям стандартов, норм и правил
Под метрологическим обеспечением понимается установление научных основ, применение технических средств, правил и норм, необходимых для достижения требуемой точности измерений.
Оценку качества продукции проводят при предпродажном контроле (оценка производителя — «первого лица»), при эксплуатации или после ремонта (оценка потребителя — «второго лица») и при сертификации (оценка, независимая от производителя и потребителя — «третьего лица»). Оценка качества необходима и при проведении технологических процессов различных отраслей экономики.
Метрологическое обеспечение необходимо при экспертизе технической документации, выборе средств измерений, разработке систем обслуживания и пр.
Метрологическое обеспечение присутствует на всех уровнях управления производством:
• нормативном (корпоративном), когда определяются основные принципы, цели, используемые инструменты и внутренние правила, относящиеся к системе менеджмента качества;
• стратегическом, когда принимаются решения по выбору направлений деятельности, будущей конкурентоспособности продукции и управлению предприятием;
• эксплуатационном (производственная деятельность), когда принимаются оперативные решения и дается оценка товаров и услуг, предлагаемых потребителю.
Законодательно установлено, что потребитель не обязан обладать профессиональными знаниями о потребляемых товарах и услугах, его компетенция ограничивается преимущественно правилами пользования ими. В этом заключается гуманитарная составляющая качества товара. Именно правила его использования позволяют определить возможности товара в конкретной потребительской ситуации. Например, безопасность является базовым свойством, допускающим товар на рынок, а надежность гарантирует исключение возникновения негативных ситуаций. Для потребителя эти параметры в системе потребительской ценности не являются синонимами качества, а служат лишь условиями, необходимыми и достаточными для его использования.
В условиях рыночных отношений и разработчик, и производитель продукции вынуждены с максимальной приближенностью прогнозировать реальные условия ее эксплуатации и с их учетом назначать набор необходимых для этой продукции функций. Итоговой оценкой продукции служит соотношение «цена качество», характеризующее потребительский эффект товара.
2.1. Испытания продукции для подтверждения ее качества
Испытанием называется экспериментальное определение количественных и (или) качественных характеристик свойств объекта испытаний при его функционировании или моделировании объекта и (или) воздействий. Экспериментальное определение характеристик свойств объекта может проводиться путем измерений, оценивания и контроля.
Объектом испытаний является продукция или процессы ее производства. В зависимости от вида продукции и целей испытаний объектом может быть как единичное изделие, так и партия.
Испытания продукции осуществляют в процессе и по окончании ее производства, а также при ее эксплуатации.
Суть испытаний с целью определения качества любого объекта одинакова, поэтому можно рассматривать общие положения процессов испытаний.
Понятие «испытание» предполагает какие-то воздействия на испытуемый объект, которые он должен или выдержать, или не выдержать. Поэтому важно при проведении любых испытаний задание реальных или близким к ним моделируемых условий эксплуатации.
Под условиями испытаний понимается совокупность воздействующих факторов и (или) режимов функционирования объекта при испытаниях.
Нормативные документы на испытания конкретных объектов устанавливают порядок проведения испытаний.
Результатом испытаний являются не конкретные полученные результаты измерений, а ответы «годен» или «не годен», «соответствует» или «не соответствует». Таким образом, цель испытаний заключается в оценке истинного значения параметра (характеристики) в заданных номинальных условиях испытаний.
С метрологической точки зрения результат испытаний должен характеризоваться заданной степенью его достоверности, так как условия испытаний практически всегда являются идеальными и отличаются от реальных. Это позволяет сформулировать основные постулаты метрологии:
• истинное значение определяемой величины существует и оно постоянно;
• истинное значение измеряемой величины отыскать невозможно;
• результат измерения математически связан с измеряемой величиной вероятностной зависимостью.
Поэтому метрологическое обеспечение испытаний всегда включает в себя следующие регламентирующие операции:
• задание требований к показателям достоверности результатов испытаний;
• планирование измерений при разработке методик испытаний;
• выбор средств измерений и испытательного оборудования с учетом заданных показателей достоверности результатов испытаний;
• статистическая обработка результатов испытаний и оценка достоверности их результатов;
• организация и проведение контроля показателей достоверности результатов испытаний, в частности, организация и проведение испытаний в других местах (межлабораторное сличение).
2.2. Основные виды испытаний и их особенности
Результатами испытаний являются оценка характеристик свойств объекта, установление соответствия их заданным требованиям, а также данные анализа качества его функционирования в процессе испытаний.
Задача испытательной техники состоит в том, чтобы приблизить условия испытаний изделия к реальным условиям эксплуатации и количественно определить изменение его свойств.
Основными воздействующими факторами являются механические, климатические, биологические и электромагнитные.
К механическим воздействиям относятся статические, динамические и вибрационные, Они могут вызывать разрушения вследствие растяжения, сжатия, изгиба, кручения, среза, вдавливания и усталости материала, из которого выполнено изделие. Поэтому изделия, предназначенные для работы в условиях механических воздействий, должны выдерживать определенные нагрузки.
Как правило, механические свойства материалов характеризуют прочность, пластичность, твердость, ударная вязкость и т. д. Критериями прочности материалов являются такие характеристики, как предел упругости, предел текучести, предел прочности. Многочисленность и разнообразие параметров объясняет стремление унифицировать методы испытаний.
Существует большое число испытаний, которые классифицируются по различным признакам.
По назначению испытания делятся на исследовательские, контрольные, сравнительные и определительные.
По уровню проведения различают следующие категории испытаний:
• государственные — испытания важнейших видов продукции, проводимые головной организацией или государственной комиссией;
• межведомственные — испытания продукции для приемки составных частей объекта, разрабатываемого несколькими ведомствами;
• ведомственные — испытания, проводимые комиссией заинтересованного ведомства.
С учетом этапов создания продукции существуют следующие испытания:
• доводочные — испытания, проводимые при разработке продукции для оценки влияния вносимых изменений на ее характеристики и для достижения необходимых значений показателей качества;
• предварительные — испытания опытных образцов и (или) опытных партий продукции для определения ее готовности к приемочным испытаниям;
• приемочные — испытания опытных образцов, партий продукции или изделий для определения целесообразности постановки этой продукции на производство и (или) использования по назначению.
В зависимости от вида готовой продукции испытания могут быть:
• квалификационные — испытания установочной серии или первой промышленной партии, проводимые для оценки готовности предприятия к выпуску продукции данного типа в заданном объеме;
• приемо-сдаточные — испытания продукции при приемочном контроле;
• предъявительские — испытания продукции, проводимые службой технического контроля перед предъявлением ее заказчику или потребителю;
• периодические — испытания выпускаемой продукции, проводимые для контроля стабильности ее качества и возможности продолжения выпуска; объем и сроки испытаний устанавливаются нормативно-технической документацией;
• типовые — испытания выпускаемой продукции, проводимые для оценки целесообразности вносимых изменений в конструкцию, рецептуру или технологический процесс.
• сертификационные — испытания, предусмотренные нормативными документами при обязательной или добровольной сертификации и заявляемой нормативной базой.
Испытания объектов должны проводится в соответствии с разработанными программой и методикой.
Программа испытаний — обязательный документ, устанавливающий объект и цели испытаний: виды, последовательность и объем проводимых экспериментов; порядок, условия, место и сроки проведения испытаний; обеспечение и отчетность; ответственность за обеспечение и проведение испытаний.
Методика испытаний — обязательный документ, включающий в себя метод, средства и условия испытаний, отбор проб, алгоритмы выполнения операций по определению характеристик свойств объекта, формы представления данных и оценивания точности и достоверности результатов, требования тоники безопасности и охраны окружающей среды.
Испытания проводятся, в определенном порядке и по установленным правилам (по плану).
Например, план испытаний на надежность NUT — план испытаний, по которому одновременно испытывают N изделий до наступления предельного состояния (отказа), испытания прекращают по достижении наработки Т для каждого, не достигшего предельного состояния (отказа) изделия (его составной части).
План испытаний на надежность NUN — план испытаний, по которому испытывают N изделий до наступления предельного состояния (отказа) всех N изделий (их составных частей).
Могут использоваться и другие планы испытаний. Методы определения объема испытаний и оценки показателей зависят от выбранного плана испытаний, который связан с целым рядом необходимых условий, в том числе обеспечения их экономичности.
Глава 3. Измерения при проведении испытаний
3.1. Условия обеспечения эффективности измерений при управлении технологическими процессами и производством
В промышленном производстве измерения составляют в среднем до 10 % всех трудозатрат, а в отдельных отраслях экономики, например, радиотехники и электротехники они достигают 50 %.
Измерения могут считаться эффективными, если их результаты обеспечивают необходимое качество управления производством, а метрологическое обслуживание средств измерений минимально.
Для эффективности измерений необходимо следующее:
• обеспечивать единство измерений;
• при установлении необходимой точности измерений учитывать связи измеряемых параметров с производительностью технологического оборудования, себестоимостью и качеством продукции, безопасностью труда и экологической безопасностью;
• учитывать экономические потери и другие неблагоприятные последствия из-за погрешности измерений как в сфере производства так и при использовании продукции.
При отсутствии особых требований к точности измерений конкретных технологических параметров рекомендуется:
• минимизировать ту часть издержек производства продукции, которая зависит от погрешности измерений;
• при больших затратах на измерения оптимизировать точность измерений по экономическому критерию;
• выделять наиболее важные измеряемые параметры, погрешность которых соответствует эффективности измерений, если выполняется следующее условие:
где 3 — затраты на измерения за расчетный период; П — потери из-за погрешностей измерений за тот же период.
Точность измерений может считаться удовлетворительной если выполняется условие
где о — граница относительной погрешности измерений (без учета знака); б, — граница относительного значения допускаемого отклонения измеряемого параметра от номинального значения, либо относительное значение половины интервала допускаемых значений измеряемого параметра.
3.2. Измерение и физические величины
Измерением называют совокупность действий, выполняемых с помощью специальных средств, с целью нахождения численных значений измеряемой величины в принятых единицах измерения.
Целью измерения является получение значения физической величины, характеризующей контролируемый объект. Существует множество видов измерений (рис. 1.1).
С помощью измерения сопоставляют измеряемую величину с. единицей измерения, т. е. если имеется некоторая физическая величина Х, а принятая для нее единица измерения Щ, то значение физической величины определяется как
где q — числовое значение физической величины в приняты единицах измерения.
Данное уравнение называют основным уравнением измерений.
Например, за единицу измерения напряжения U электрического тока принят один вольт [1 В]. Тогда значение напряжения электрической сети U = q [U] = 220 [1 В] = 220 В, т. е. числовое значение напряжения 220.
Если за единицу напряжения U принят один киловольт [1 кВ], а 1 В = 10 кВ, то U = q [U] = 220 [10 ' кВ] = 0,22 кВ. Числовое значение напряжения будет 0,22.
Еще одно важное понятие — измерительное преобразование, под которым понимают установление однозначного соответствия между размерами двух величин: преобразуемой (входной) и преобразованной в результате измерения (выходной).
Множество размеров входной величины, которая преобразуется с помощью технического устройства, называют диапазоном преобразований.
В зависимости от видов физических величин измерительные преобразования делятся на три группы.
Первая группа представляет собой величины, которые определяют отношения: «слабее — сильнее», «мягче — тверже», «холоднее — теплее» и др. Такой величиной является, например, скорость ветра. Их называют отношениями порядка или отношениями эквивалентности.
Ко второй группе относятся величины, для которых отношения порядка определяются не только между значениями величин, но и их диапазоном, т. е. разностью значений крайних величин. Например, разность диапазона температур от плюс 5 до плюс 10 'С и разность диапазона температур от плюс 20 до плюс 25 'С равны. В данном случае отношение порядка величин плюс 25 'С теплее, чем плюс 10 'С, а отношение порядка разности крайних значений первых величин соответствует разности крайних значений вторых величин. В обоих случаях отношение порядка однозначно определяется с помощью измерительного преобразователя, например, жидкостного термометра, и температура может быть отнесена к измерительным преобразованиям.
Третья
группа характеризуется тем, что с величинами возможно выполнение операций,
подобных сложению и вычитанию (свойство активности). Например, такая физическая
величина, как масса: два предмета каждый массой 0
Измеряемая величина может быть независимой, зависимой и внешней.
Независимая величина изменяется только под действием исполнителя работ (например, угол открытия дроссельной заслонки карбюратора при испытании двигателя).
Зависимая величина — это величина, которая изменяется при изменении независимых переменных (например, скорость движения автомобиля при изменении угла открытия дроссельной заслонки карбюратора).
Внешняя величина — это величина, характеризующая влияние внешних факторов на результаты измерений при выполнении измерительных работ, но не контролируемая человеком, выполняющим эти измерения (например, скорость встречного ветра при определении скорости движения автомобиля).
Эталоном единицы величины называют средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения единицы величины и передачи ее размера другим средствам измерений данной величины.
Физические величины делятся на геометрические, кинематические, динамические и пр.
К геометрически величинам относятся линейный размер объем, угол.
К кинематическими величинам относятся скорость, ускореннее, частота вращения.
К динамическим — масса, расход какого-либо вещества, давление и т. д.
К другим величинам можно отнести время, температуру, цвет освещенность.
3.4. Система единиц физических величин
Объектом измерений являются физические величины, которыми делятся на основные и производные.
Основные физические величины входят в систему величин и не зависят друг от друга. Они используются для установления связей с другими физическими величинами.
Производные физические величины входят в систему величин и определяются через уравнения, связывающие их с основными физическими величинами.
Основным величинам соответствуют основные единицы измерений, а производным — производные единицы измерений.
Совокупность основных и производных единиц называют системой единиц физических величин.
Первой
системой единиц считается метрическая система, где за основную единицу длины
был принят метр, за единицу массы — грамм, т. е. масса
В
В
В начале ХХ в. была предложена еще одна система единиц, получившая название МЯСА (в русской транскрипции). Основные единицы этой системы: метр, килограмм, секунда, ампер; производные: единица силы — ньютон, единица энергии — джоуль, единица мощности — ватт.
Необходимость в единстве измерений появилась давно, но даже сейчас некоторые страны не отказались от исторически сложившихся у них единиц измерения. Так в Великобритании, США, Канаде основной единицей массы считается фунт, причем его величина в Системе британских имперских мер и старой Системе винчестерских мер различна.
Сегодня широкое распространение получила Международная система единиц СИ, основными единицами которой являются:
• единица длины — метр, равен длине пути, которую проходит свет в вакууме за 1/299792458 долю секунды;
• единица массы — килограмм, равен массе международного прототипа килограмма, представляющего собой цилиндр из сплава платины и иридия;
• единица времени — секунда, равен продолжительности 9192631770 периодов излучения, соответствующих переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 при отсутствии возмущения со стороны внешних полей;
• единица
силы электрического тока — ампер, равен силе не изменяющегося тока, который
при прохождении по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно
малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на
расстоянии
• единица термодинамической температуры — кельвин, равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды (допускается также применение шкалы Цельсия);
• единица
количества вещества — моль, количество вещества системы, содержащей столько же
структурных элементов, сколько атомов содержится в углероде-12 массой
• единица силы света — кандела, сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540. 10" Гц, энергетическая сила излучения которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср (ватт на стерадиан).
Кроме основных единиц в системе СИ есть дополнительные единицы для измерения плоского и телесного углов — радиан и стерадиан соответственно, а также большое число производных единиц пространства и времени, физических величин в механике, электронике, акустике и т. д. (см. приложение А). Используются также и внесистемные единицы, например, тонна, сутки, литр, гектар и др.
Измерения различают по способу получения и характеру результата, условиям, методам, степени достаточности, связи с объектом, числу и точности оценки погрешности (см. рис. 1.1).
По способу получения результата измерения делятся на прямые, косвенные, совокупные, совместные и динамические.
Прямые измерения — это непосредственное сравнение физической величины с ее единицей. Например, при определении длины предмета с помощью линейки происходит сравнение искомой величины (количественного выражения значения длины) с мерой, т. е. единицей измерения.
Различают шесть методов прямых измерений:
• метод непосредственной оценки, при котором значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора, например, давление — пружинным манометром, массу — на весах, электрический ток — амперметром;
• метод сравнения с мерой, где измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой, например, измерение массы с помощью рычажных весов уравновешиванием гирей; измерение напряжения постоянного тока компенсатором, сравнивая с ЭДС параллельного элемента;
• метод дополнения, где значение измеряемой величины дополняется мерой этой же величины с таким расчетом, чтобы на прибор сравнения воздействовала их сумма, равная заранее заданному значению;
• дифференциальный метод характеризуется измерением разности между измеряемой величиной и известной величиной, воспроизводимой мерой. Данный метод позволяет получать результат высокой точности даже при использовании относительно примитивных средств;
• нулевой метод аналогичен дифференциальному, но разность между измеряемой величиной и мерой сводится к нулю;
• метод замещения — метод сравнения с мерой, в которой измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой, например, взвешивание с поочередным размещением измеряемого объекта и гирь на одну и ту же чашу весов.
Косвенные измерения отличаются от прямых тем, что искомое значение устанавливают по результатам прямых измерений таких величин, которые связаны с искомой определенной функциональной зависимостью. Так, если в данной электрической цепи измерить силу тока амперметром, а напряжение вольтметром, то по известной функциональной зависимости можно определить мощность этой электрической цепи.
Совокупные измерения основываются на решении системы уравнений, составляемых по результатам одновременных измерений нескольких одноименных величин. Для вычисления искомой величины число уравнений должно быть не меньше числа величин.
Совместные измерения — это одновременное измерение двух или нескольких неодноименных физических величин для определения зависимости между ними.
Совокупные и совместные измерения часто применяют при измерениях различных параметров и характеристик в электротехнике.
Динамические измерения связаны с такими величинами, которые изменяют свой размер во времени. Например, измерение мгновенного значения переменного тока или напряжения.
По числу измерений величины различают на однократные многократные измерения.
Однократные измерения — это когда одно измерение соответствует одной величине, т. е. число измерений равно числу измеряемых величин. Такой вид измерений всегда сопряжен с большими погрешностями, поэтому, как правило, проводят не менее трех однократных измерений и находят конечный результат как среднее арифметическое значение.
Многократные измерения — это когда число измерений превышает число измеряемых величин. В этом случае минимальное число измерений больше трех. Преимуществом многократных измерений является значительное снижение влияния случайных факторов на погрешность измерения (иногда этот вид измерений называют статистическим).
По характеру результата измерения делятся на абсолютные, относительные и допусковые (пороговые).
Абсолютными измерениями называют такие, при которых используют прямое измерение одной (иногда нескольких) основной величины и значение физической константы. Так, в формуле Эйнштейна Е= тс масса (т) — основная физическая величина, которая может быть измерена прямым путем (взвешиванием), а скорость света (с) — физическая константа.
Относительные измерения — это установление как относится измеряемая величина к одноименной величине, применяемой качестве единицы. Искомое значение зависит от используемой единицы измерения.
Па условиям измерения делятся на равноточные и неравноточные.
Неравноточными измерениями называют такие, при которых измерения одной и той же физической величины выполняются различными исследователями, разными приборами, в различных условиях и с различной точностью.
Для измерения физической величины применяют технические средства, которые называются средствами измерений.
Средство измерения — это техническое средство, предназначенное для измерения, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимается неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени. Средства измерения — это основа метрологического обеспечения, они имеют нормированные погрешности.
Средства измерения основаны на использовании различных физических эффектов, например, пьез и термоэлектрические, эффекты Холла и Фарадея, фотоэлектрические и др.
К средствам измерений относятся: меры, измерительные преобразователи, приборы, системы и установки, принадлежности.
Мера — это средство измерения, предназначенное для воспроизведения или хранения физической величины заданного размера, например, гири, концевые меры длин и др.
На практике используют однозначные меры, которые воспроизводят величину только одного размера (например гиря); многозначные меры, когда воспроизводят несколько размеров физической величины (например, длину объекта в миллиметрах или сантиметрах); набор мер (например, набор гирь) и магазин мер, где меры объединены в одно целое с возможностью путем переключения устройств, связанных с возможностью отсчета, соединять меры в нужном сочетании (например, магазин электрических сопротивлений).
К однозначным мерам относятся стандартные образцы и стандартные вещества.
Стандартный образец — это образец вещества (материала), который аттестуется с количественными значениями величин, характеризующими свойства или состав этого вещества (материала).
При пользовании мерами учитывают их номинальное и действительное значение, ее погрешность и разряд. Номинальное значение указывается на мере, действительное — в специальном свидетельстве. Действительное значение меры определяется на основании высокоточного измерения с помощью официального эталона. Разность между действительным и номинальным значениями меры называется погрешностью меры. При аттестации (поверке) тоже могут быть погрешности, поэтому меры подразделяют на разряды (первый, второй и т. д.), а сами меры называются разрядными эталонами (образцовыми измерительными средствами), которые используют для поверки измерительных средств.
Измерительный преобразователь — это техническое средство, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Основной метрологической характеристикой измерительного преобразователя считается соотношение между входной и выходной величинами, которое называется функцией преобразования. К измерительным преобразователям относятся термопары, измерительные трансформаторы и усилители, преобразователи давления. Не следует отождествлять измерительные преобразователи с преобразовательными элементами, например, трансформатор не имеет метрологических характеристик.
Первичные преобразователи непосредственно воспринимают информацию об измеряемой величине; передающие — преобразуют информацию в форму, удобную для ее регистрации или передачи на расстояние; промежуточные преобразователи работают как первичные или передающие, так и в их сочетании, не изменяя вид физической величины.
Измерительные приборы — средства измерений, предназначенные для переработки сигнала измерительной информации в другие формы, доступные для непосредственного восприятия наблюдателем. Различают приборы прямого действия и приборы сравнения.
Приборы прямого действия отображают измеряемую величину на показывающем устройстве, имеющем градуировку в соответствующих единицах физической величины, например, амперметры, вольтметры и т. п.
Приборы сравнения (компараторы) сравнивают измеряемые величины с величинами, значения которых известны, например, электроизмерительные потенциометры.
Измерительные системы и установки — это совокупность функционально объединенных автоматизированных или автоматических средств измерения, предназначенных для измерения одной или нескольких физических величин объекта измерений.
Измерительные принадлежности — вспомогательные средства, используемые для обеспечения необходимых условий чтобы выполнить измерения с требуемой точностью. Например, психрометр используется при измерении параметра объекта, если оговаривается влажность окружающей среды.
По метрологическому назначению средства измерений делятся на рабочие средства измерения и эталоны.
По способу отсчета измеряемой величины средства как правило, делятся на показывающие (например, аналоговые и цифровые) и регистрирующие (бумажная или магнитная лента).
3.7. Эталоны и стандартные образцы
Эталон — это высокоточная мера, предназначенная для воспроизведения и хранения единицы физической величины для передачи ее размера другим средствам измерения. От эталона единица физической величины передается разрядным эталонам, а от них к рабочим средствам измерения.
Государственный (национальный) эталон единицы величины— эталон единицы величины, признанный решением уполномоченного на то федерального органа в качестве исходного на территории своего государства.
Эталоны классифицируют на первичные, вторичные и рабочие.
Первичный эталон — это эталон, воспроизводящий единицу физической величины с наивысшей точностью.
Первичному эталону соподчинены вторичные и рабочие (разрядные) эталоны. Вторичные эталоны иногда называют «эталоны — копии».
Рабочие эталоны воспринимают размер единицы от вторичных эталонов и служат для передачи размера менее точному рабочему эталону (если существует эталон более низкого разряда) или рабочим средствам измерений, инструменту.
Стандартные образцы состава, свойств веществ и материалов внесены в российский государственный Реестр средств измерений, который содержит около 10 тыс. типов стандартных образцов (СО), используемых для метрологического обеспечения контроля — градуировки средств измерений.
Стандартные справочные данные внесены в банк данных о свойствах материалов и веществ, ведение которого поручено Государственной службе стандартных справочных данных (ГСССД) о физических константах и свойствах материалов и веществ. Для норм и правил, обеспечивающих применение этих данных, установлены следующие категории справочных данных:
• ССД — числовые значения физических констант или свойств материалов и веществ, полученные на основе анализа всей известной совокупности результатов измерений (испытаний, расчетов), аттестованные и утвержденные Госстандартом РФ. Официальным изданием ССД являются «Таблицы стандартных справочных данных»;
• РСД — числовые значения физических констант или свойств материалов и веществ, полученные на основе оценки погрешности результатов их определения (измерений, испытаний, расчетов), аттестованные и утвержденные Научно-исследовательским центром по материалам и веществам (ВНИЦ МВ) Госстандарта России.
Информационные данные — это фактографические сведения о материалах и веществах, не прошедших или не подлежащих аттестации в ГСССД, к ним относятся:
• числовые значения физических констант или свойств, достоверность (погрешность) которых не установлена;
• данные о номенклатуре и технико-экономических показателях материалов и веществ, содержащихся в информационных, регистрационных и нормативно-технических документах, в том числе числовые данные о свойствах веществ, если не указана их категория;
• сведения библиографического и адресно-тематического характера, полученные на основе оценки погрешности результатов их определения (измерений, испытаний расчетов).
Шкала средства измерений — это упорядоченная совокупность отметок и цифр, соответствующая ряду последовательных значений измеряемой величины.
В шкале Цельсия за начало отсчета принята температура таяния льда, а в качестве основного интервала (опорной точки)— температура кипения воды. Одна сотая часть этого интервала— градус Цельсия (С), является единицей температуры.
В метрологической практике известны несколько разновидностей шкал: шкала наименований, шкала порядка, шкала интервалов, шкала отношений, абсолютные шкалы, условные шкалы.
Шкалы наименований — это качественные шкалы, которые не содержат нуля и единиц измерений, здесь отсутствуют отношения типа «больше — меньше». Примером может служить шкала цветов (атлас цветов). Измерение заключается в визуальном сравнении окрашенного предмета с образцами цветов (эталонными образцами атласа цветов). Так как каждый цвет имеет множество оттенков, такое сравнение под силу эксперту, который имеет не только опыт, но и обладает соответствующими особыми характеристиками возможностей визуального наблюдения.
Шкалы порядка. Свойства величин описывают как отношением эквивалентности, так и отношением порядка по возрастанию или убыванию количественного проявления свойства. В этих шкалах может иметься нулевая отметка, но отсутствуют единицы измерения, поскольку невозможно установить, в какое число раз больше или меньше проявляется свойство величины. Обычно шкалы порядка характеризуют значение измеряемой величины (сила землетрясения, сила ветра и т. п.) в баллах.
Шкала интервалов (разностей). Описывать свойства величин можно не только с помощью отношений эквивалентности и порядка, но и с применением суммирования и пропорциональности интервалов (разностей) между количественными проявлениями данного свойства. Шкалы интервалов имеют условные нулевые значения, а интервалы устанавливаются по согласованию. Такими шкалами являются шкалы времени и длины.
Шкала отношений имеет естественное нулевое значение, а единица измерений устанавливается по согласованию. Например, шкала весов, начинаясь с нулевой отметки, может быть градуирована по разному в зависимости от требуемой точности взвешивания.
Абсолютные шкалы всегда имеют определение единицы измерения физической величины.
Условные шкалы — это шкалы физических величин, исходные значения которых выражены в условных единицах, иногда их называют неметрическими. К ним относятся шкалы твердости минералов и металлов.
Точность измерения — это степень приближения результатов измерения к некоторому действительному значению физической величины. Чем меньше точность, тем больше погрешность измерения и, соответственно, чем меньше погрешность, тем выше точность.
Даже самые точные приборы не могут показать действительного значения измеряемой величины. Обязательно существует погрешность измерения, причинами которой могут быть различные факторы.
Погрешности могут быть:
• систематические, например, если тензосопротивление плохо наклеено на упругий элемент, то деформация его решетки не будет соответствовать деформации упругого элемента и датчик будет постоянно неправильно реагировать;
• случайные, вызванные, например, неправильным функционированием механических или электрических элементов измерительного устройства;
• грубые, как правило, допускаются самим исполнителем, который из-за неопытности или усталости неправильно считывает показания прибора или ошибается при обработке информации. Их причиной могут стать и неисправность средств измерений, и резкое изменение условий измерения.
Полностью исключить погрешности практически невозможно, а вот установить пределы возможных погрешностей измерения и, следовательно, точность их выполнения необходимо.
Погрешностью измерения А(Х) называют отклонение результата измерения (Х) от истинного или действительного значения (Х„или Х) измеряемой величины:
Погрешность может быть абсолютной, относительной и при- веденной.
Абсолютная погрешность измерения (Л) представляет собой разность между измеренной величиной и истинным или действительным значением этой величины,
Относительная погрешность измерения представляет собой отношение абсолютной погрешности измерения к действительному значению измеряемой величины. Относительная погрешность может выражаться в долях, тогда б = a или в процентах, тогда с = 2 — 100. Х.
Приведенная погрешность измерения (у) представляет собой отношение абсолютной погрешности к нормированному значению величины, например, ее максимальному значению, т. е. у = А = + — .100, где Х— нормированное значение величины, XД — максимальное значение измеряемой величины). При многократных измерениях в качестве истинного значения, как правило, используют среднее арифметическое значение:
В отличие от относительной и приведенной абсолютная погрешность всегда имеет ту же размерность, что и измеряемая величина.
Величина Х, полученная в одной серии измерений, является случайным приближением к XД. Для оценки ее возможных отклонений от Х определяют среднее квадратическое отклонение:
Для оценки рассеяния отдельных результатов измерения (Х) относительно среднего арифметического значения Х, определяют среднеквадратическое отклонение:
Применение формул (1.3) правомерно при условии постоянства измеряемой величины в процессе измерения. Если при измерении величина изменяется, как, например, при измерении потенциала проводника через равные отрезки длины, то в формулах (1.3) в качестве Х, следует брать какую-то постоянную величину, например, начало отсчета.
Среднее арифметическое значение из ряда измерений всегда имеет меньшую погрешность, чем погрешность каждого определенного измерения. Это и отражает формула (1.4), определяющая фундаментальный закон теории погрешностей, из которого следует, что если необходимо повысить точность результата (при исключенной систематической погрешности) в 2 раза, то число измерений нужно увеличить в 4 раза; если требуется точность в 3 раза, то число измерений увеличивается в 9 раз и т. д.
Нужно четко разграничивать применение и величина а, используется при оценке погрешностей окончательного результата, — при оценке погрешности метода измерения.
Случайная (А) и систематическая (Л) составляющие погрешности измерения проявляются, как правило, одновременно. Общая погрешность при их независимости определяется их суммой Л=Л +А, или через среднеквадратическое отклонение
Значение случайной погрешности заранее неизвестно, оно возникает из-за множества неутонченных факторов.
Для уменьшения случайной погрешности есть два пути: или повышать точность измерений (уменьшение a), или увеличивать числа измерений (и).
Если считать, что все возможности совершенствования техники измерений использованы, то остается только второй путь. При этом отметим, что уменьшать случайную составляющую погрешности целесообразно лишь до тех пор, пока общая погрешность измерений не будет полностью определяться систематической составляющей.
Если систематическая погрешность определяется классом точности средств измерения то необходимо, чтобы доверительный интервал где — коэффициент был существенно меньше. Обычно принимают при доверительной вероятности Р = 0,95. В случае невозможности выполнения этого условия необходимо коренным образом изменить методику измерения.
При сравнении случайных погрешностей с различными законами распределения использование показателей, которые сводят плотность распределения к одному или нескольким числам, обязательно. Такими числами могут быть среднеквадратическое отклонение, доверительный интервал и доверительная вероятность. Надежность самого среднеквадратического отклонения (о.) определяется по формуле Принято считать, что если а. <0,25 о, то оценка точности надежна. Это условие выполняется уже при n = 8.
На практике важно уметь правильно сформулировать требования к точности измерений. Например, если за допустимую погрешность измерения принять А = 3 а то, повышая требования к контролю, при сохранении технологии изготовления изделий увеличивается вероятность брака.
Наиболее вероятная погрешность (А) отдельного измерения определяется по формуле
Таким образом, с увеличением и значение вероятной погрешности Л, быстро уменьшается, но лишь до и = 5. Следовательно, увеличение числа измерений на одном режиме больше 5 нецелесообразно, что соответствует условию получения надежных значений о.
Число измерений определяют, используя одно из выражений:
где и— число отбрасываемых экспериментальных результатов.
С учетом коэффициентов Стьюдента можно оценить относительную погрешность отдельного измерения:
Считается, что систематические погрешности могут быть обнаружены и исключены. Однако в реальных условиях полностью исключить систематическую составляющую погрешности невозможно. Всегда остаются какие-то неисключенные факторы, которые нужно учитывать, и которые будут систематической погрешностью измерения. То есть, систематическая погрешность тоже случайна, и ее определение обусловлено лишь установившимися традициями обработки и представления результатов измерения.
Необнаруженная систематическая составляющая погрешности опаснее случайной: если случайная составляющая вариацию (разброс) результатов, то систематическая — устойчиво их искажает (смещает). g любом случае отсутствие или незначительность (пренебрежение) систематической погрешности надо доказать.
Действительно, если взять два ряда измерений одной и той же величины, то средние результаты этих рядов, как правило, будут различны. Это расхождение может быть определено случайной или систематической составляющей.
Последовательность выявления характера погрешности
1. Из двух рядов независимых измерений находят средние арифметические значения
2. Определяют значение
4. Является или нет разность
Таким образом, для характеристики случайной погрешности надо обязательно задать два числа: величину самой погрешности (или доверительный интервал от Х, — Л до Х, + Л ) и доверительную вероятность.
В отличие от случайной погрешности, выявленной в целом вне зависимости от ее источников, систематическая погрешность рассматривается по составляющим в зависимости от источников ее возникновения, причем различают методическую, инструментальную и субъективную составляющие погрешности.
Субъективная составляющая погрешности связана с индивидуальными особенностями оператора. Как правило, она возникает из-за ошибок в отсчете показаний (примерно 0,1 деления шкалы) и неопытности оператора.
В основном же систематические погрешности возникают из-за методической и инструментальной составляющих.
Методическая составляющая погрешности обусловлена несовершенством метода измерения, приемами использования средств измерения, некорректностью расчетных формул и округления результатов.
Инструментальная составляющая погрешности возникает из-за собственной погрешности средств измерения, определяемой классом точности, влиянием средств измерения на результат, и ограниченной разрешающей способности средств измерения.
Целесообразность разделения систематической погрешности на методическую и инструментальную составляющие определяется следующим:
• для повышения точности измерений можно выделить лимитирующие факторы и принять решение об усовершенствовании методики или выборе более точных СИ;
• появляется возможность определить составляющую общей погрешности, увеличивающейся со временем или под влиянием внешних факторов, и целенаправленно осуществлять периодические поверки и аттестации;
• инструментальная составляющая может быть оценена до разработки методики, а потенциальные возможности точности определит только методическая составляющая.
Таким образом все виды составляющих погрешности нужно анализировать и выявлять в отдельности, а затем суммировать их в зависимости от характера, что является основной задачей при разработке и аттестации методик выполнения измерений.
В ряде случаев систематическая погрешность может быть исключена путем устранения источников погрешности до начала измерений (профилактика погрешности), а в процессе измерений — путем внесения известных поправок в результаты измерений.
Профилактика — наиболее рациональный способ снижения погрешности и заключается в устранении влияния, например, температуры (термостатированием и термоизоляцией), магнитных полей (магнитными экранами), вибраций и т. п. Сюда же относятся регулировка, ремонт и поверка средств измерений.
Исключение постоянных систематических погрешностей в процессе измерений осуществляют методом сравнения (замещения, противопоставления), компенсации по знаку (предусматривают два наблюдения, чтобы в результат каждого измерения систематическая погрешность входила с разным знаком), а исключение переменных и прогрессирующих — способами симметричных наблюдений или наблюдением четное число раз через полупериоды.
Грубые погрешности измерений могут сильно исказить и доверительный интервал, поэтому их исключение обязательно. Обычно они сразу видны в ряду полученных результатов, но в каждом конкретном случае это необходимо доказать. Существует ряд критериев для оценки промахов.
Критерий В этом случае считается, что результат, возникающий с вероятностью Р < 0,003, малореален и его можно квалифицировать промахом, т. е. сомнительный результат Х отбрасывается
Величины Х и а вычисляют без учета Х. Данный критерий надежен при и= 20.
При и < 20, как правило, применяют критерий Романовского. В этом случае используют уровень значимости Д, который определяется равенством. Полученное значение сравнивают со значением, полученным теоретически (З,) в зависимости от числа измерений (и) и выбираемой вероятности (Р) (см. табл. 1.1).
Обычно Р находится в пределах 0,01 — 0,05, и если p > (З„то результат отбрасывают.
Если число измерений невелико (до 10), то используют критерий. В этом случае промахом считается результат Х, при котором разность Х— Х, в зависимости от числа измерений (и) превышает значения k . а
Погрешность измерений как характеристику точности измерений нормируют в виде предела допускаемых значений погрешности средств измерений данного типа.
Основные задачи нормирования погрешностей заключаются в выборе показателей, характеризующих погрешность, и установлении допускаемых значений этих показателей. Решение данных задач определяется целью измерений и использованием результатов. Например, если результат измерения используется наряду с другими при расчете какой-то экспериментальной характеристики, то необходимо учитывать погрешности отдельных составляющих путем суммирования их среднеквадратических отклонений.
Если речь идет о контроле в пределах допуска и нет информации о законах распределения параметра и погрешности, то достаточно ограничиться доверительным интервалом с доверительной вероятностью. Эти показатели должны сопровождать результаты измерений тогда, когда дальнейшая обработка результатов не предусмотрена. Поэтому для оценки погрешностей измерений необходимо установить вид модели погрешности с ее характерными свойствами, определить характеристики этой модели и оценить показатели точности измерений по характеристикам модели.
При установлении модели погрешности возникают типовые статистические задачи: оценка параметров закона распределения, проверка гипотез, планирование эксперимента и др.
Точность измерения может выражаться следующим:
• интервалом, в котором с установленной вероятностью находится суммарная погрешность измерения;
• интервалом, в котором с установленной вероятностью. Находится систематическая составляющая погрешности измерений;
• стандартной аппроксимацией функции распределения случайной составляющей погрешности измерения и среднеквадратическим отклонением случайной составляющей погрешности измерения;
• стандартными аппроксимациями функций распределения систематической и случайной составляющих погрешности измерения и их средними квадратическим отклонениями и функциями распределения систематической и случайной составляющих погрешности измерения.
На практике применяется, как правило, первый способ. Например, система допусков построена на понятии предельной погрешности при Р= 0 95, т. е. максимальной погрешности, допускаемой для данного измерения.
Числовое значение результата измерения должно оканчиваться цифрой того же разряда, что и значение погрешности А.
Под качеством измерений понимают совокупность свойств, обусловливающих получение результатов с требуемыми точностными, характеристиками, в необходимом виде и установленные сроки.
Качество измерений характеризуется такими показателями, как точность, правильность и достоверность. Эти показатели должны определяться по оценкам, к которым предъявляются требования состоятельности, несмещенности и эффективности.
Истинное значение измеряемой величины отличается от среднего значения на величину систематической погрешности т. е. Х= Х— Х.
Если систематическая составляющая исключена. Однако из-за ограниченного числа наблюдений Х, точно определить также невозможно. Можно лишь оценить это значение, указать границы интервала, в котором оно находится, с определенной вероятностью.
Оценку Х, числовой характеристики закона распределения Х изображаемую точкой на числовой оси, называют точечной оценкой. В отличие от числовых характеристик оценки являются случайными величинами. Причем их значение зависит от числа наблюдений и.
Состоятельной называют оценку, которая сводится по вероятности к оцениваемой величине, т. е.
Несмещенной является оценка, математическое ожидание которой равно оцениваемой величине, т. е. Х= Х,.
Эффективной называют такую оценку, которая имеет меньшую дисперсию а = min.
Перечисленным требованиям удовлетворяет среднее арифметическое значение (Х,) результатов П наблюдений.
Результат отдельного измерения является случайной величиной. Тогда точность измерений — это близость результатов измерений к истинному значению измеряемой величины.
Если систематические составляющие погрешности исключить, то точность результата измерений Х будет характеризоваться степенью рассеяния его значения, т. е. дисперсией. Как видно из формулы (1.4), дисперсия среднего арифметического значения и раз меньше дисперсии отдельного результата наблюдения.
На рис. 1.3 заштрихованная площадь определяет плотность вероятности распределения среднего значения.
Правильность измерения определяется приближением значения систематической погрешности к нулю.
Достоверность измерения зависит от степени доверия к результату и характеризуется вероятностью того, что истинное значение измеряемой величины лежит в указанных границах действительного значения.
Эти вероятности называют доверительными вероятностями, а границы (окрестности) — доверительными границами:
Таким образом, достоверность измерения обусловлена приближением к нулю значения случайной (или неисключенной) систематической погрешности.
Для количественной оценки качества измерений рассмотрим влияние параметров измерений на погрешность их результатов.
При планировании измерений и оценке их результатов задают определенную погрешность предполагают наличие тех или иных составляющих погрешности, закон их распределения, корреляционные (взаимозависимые) связи и др. На основе предположений выбирают средства измерения по точности, необходимый объем выборки объектов измерений и метод оценивания результатов измерений.
Поэтому необходимо знать влияние на погрешность результатов измерений следующих факторов:
• число наблюдений и доверительную вероятность, с которой должны быть известны вероятностные характеристики результатов;
• степень исправленности наблюдений, т. е. наличие неисключенной составляющей погрешности наблюдений, которая образуется из таких составляющих, как метод и средство измерения, неточность изготовления меры и т. д.;
• вид и форма закона распределения погрешностей. Когда систематические погрешности результатов наблюдений отсутствуют (Л = О), доверительная погрешность Л среднего арифметического значения зависит только от погрешности метода числа наблюдений и и доверительной вероятности Р. Так как случайная величина t = имеет распределение. Стьюдента с (n — 1) степенями свободы, то, воспользовавшись значениями распределения Стьюдента, можно построить зависимость. Такие зависимости для различных значений доверительной вероятности приведены на рис. 1.4. Как видно из представленных данных, при и 5 величиной существенно зависит от и для любых значений Р. При зависимость снижается настолько, что возникает задача определения предельного значения числа наблюдений, так как неограниченному уменьшению погрешностей при увеличении и препятствует неисключенная систематическая погрешность.
Дальнейшее увеличение л вызывает незначительное сужение доверительного интервала. Так, если систематические пост
грешности отсутствуют, то для любого ах и при и > 7, Р= 0,9, и при и > 8, Р= 0 95, и при и > 10, Р= 0,99 величина A уменьшается всего на (6...8) %.
Поэтому при эксплуатации и Испытаниях технических средств рекомендуется, во-первых, использовать доверительную вероятность Р= 0,9, так как в этом случае для широкого класса симметричных распределений погрешностей Л = 1,6 о и не зависит от вида этих распределений, а во-вторых, применять выборку наблюдений не более 5.
Аналогично ведет себя корреляция результатов измерений, параметров изделия. Для выборочного среднеквадратического отклонения среднего арифметического прямого измерения с многократными наблюдениями при условии, что результаты наблюдений Х, и Х, коррелированны, используется формула
где — коэффициент корреляции результатов Х и K— поправочный множитель.
Формула (1.5) указывает на сильное влияние корреляции результатов наблюдений на а, (табл. 1.2).
Как видно из табл. 1.2, величина может быть существенно занижена. Так, при малой корреляции результатов и < 20 это занижение не превышает 1,7 раза. При сильной корреляции величина о», характеризующая точность результатов измерений, может быть занижена в несколько раз.
Заметно влияет на среднеквадратическое отклонение результатов наблюдений а», называемое иногда погрешностью метода измерений, и степень корректировки результатов наблюдений перед обработкой. Действительно, если выполняются технические измерения и результат измерения получают в виде среднего арифметического значения Х„то величину погрешности метода в этом случае (обозначим ее ) определяют по формуле (1.2). Если измерения той же величины выполняют с такой точностью, что вместо Х„получают истинное значение искомого параметра, т. е. Х, = Х то погрешность метода в этом случае (обозначим ее о ) получают по аналогичной формуле, только вместо делителя (n — 1) подставляют делитель и.
Несущественная на первый взгляд замена Хна Х, пораждает ряд проблем. Оказывается, что наиболее употребляемая на практике характеристика о как статистическая оценка имеет большее смещение и менее эффективна, чем характеристика.
Для нормального закона распределения погрешностей ошибки в форме среднеквадратического отклонения определяются по формулам
При n < 50 величина а» определяется с ошибками, достигающими десятков процентов. Кроме того, использование вместо а приводит к увеличению ошибок оценки на 10 % и более 2 (при и < 3). При n < 10 завышение незначительно, Оценка качества результатов измерения при недостаточности данных должна быть ориентирована на самый худший случай. Тогда реальное значение будет всегда лучше и получение необходимого результата гарантируется.
Следует отметить, что результаты измерений, не обладающие достоверностью, т. е. степенью уверенности в их правильности, не представляют ценности. Например, датчик измерительной схемы может иметь весьма высокие метрологические характеристики, но влияние погрешностей от его установки, внешних условий, методов регистрации и обработки сигналов приведет к большой конечной погрешности измерений.
Наряду с такими показателями, как точность, достоверность и правильность, качество измерительных операций характеризуется также сходимостью и воспроизводимостью результатов. Эти показатели наиболее распространены при оценке качества испытаний и характеризуют точность испытаний.
Два испытания одного и того же объекта одинаковым методом не дают идентичных результатов. Объективной мерой могут служить статистически обоснованные оценки ожидаемой близости двух или более числа результатов, полученных при строгом соблюдении методики испытаний. В качестве таких статистических оценок согласованности результатов испытаний принимаются сходимость и воспроизводимость.
Сходимость — это близость результатов двух испытаний, полученных одним методом, на идентичных установках и в одной лаборатории.
Воспроизводимость отличается от сходимости тем, что оба результата должны быть получены в разных лабораториях. При доверительной вероятности Р= 0,95 сходимость определяется как воспроизводимость стандартные отклонения результатов испытаний в условиях сходимости и воспроизводимость соответственно
3.11. Методики выполнения измерений
Методики
выполнения измерений (МВИ) как метрологический объект появились в
МВИ — это документированная совокупность операций и правил, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с гарантированной точностью в соответствии с принятой методикой.
В МВИ разработчиком под персональную ответственность прописаны определенные численные значения погрешности измерений, которые гарантируются при выполнении всех требований документа.
Из этого следует, что априорно существуют разные характеристики погрешности измерений, из которых разработчику придется выбирать наиболее подходящую. Совокупность операций и правил, обеспечивающая получение результатов измерений с известной погрешностью подчеркивает два важных признака: МВИ представляет собой описание операций и в МВИ назначается погрешность измерения.
Разработку МВИ выполняют на основе исходных данных, которые включают в себя следующее:
• назначение, где указывается область применения, наименование измеряемой величины и ее характеристики, а также характеристики объекта измерений, если они могут влиять на погрешность измерений;
• требования к погрешности измерений;
• условия измерений, заданные в виде номинальных значений и (или) границ диапазонов возможных значений влияющих величин;
• вид индикации и формы представления результатов измерений;
• требования к автоматизации измерительных процессов;
• требования к обеспечению безопасности выполняемых работ;
• другие требования, если в них есть необходимость.
Аттестация МВИ представляет собой установление и подтверждение соответствия МВИ предъявляемым к ней метрологическим требованиям. Современная трактовка термина фиксирует не только определение метрологических характеристик, но и установление пригодности средств измерений к использованию по назначению.
Аттестацию осуществляют путем метрологической экспертизы документации, теоретических или экспериментальных исследований МВИ. Аттестованные МВИ подлежат метрологическому надзору и контролю.
Из определения следует, что МВИ представляет собой технологический процесс измерения. В связи с этим не стоит смешивать МВИ и документ на МВИ. Так как не все методики описаны соответствующим документом. Для измерений, проводимых с помощью простых показывающих приборов, не требуется особых документированных МВИ. В этих случаях достаточно в нормативной документации указать тип и основные метрологические характеристики средств измерений.
Аттестация, как обязательная процедура, применяется для МВИ, используемых в сферах распространения государственного метрологического контроля и надзора, а также для контроля состояния сложных технологических систем. Другие МВИ подвергают аттестации в соответствии с порядком, принятым в ведомстве или на предприятии.
3.12. Классификация и метрологические характеристики средств измерений
Средства измерений, утвержденные Госстандартом России, регистрируются в государственном Реестре средств измерений, удостоверяются сертификатами соответствия и только после этого допускаются для применения на территории Российской Федерации.
Перечень средств измерений разбит по видам измерений на 13 групп в соответствии с «Кодификатором групп средств измерений МИ 2314-00»..
• измерения геометрических величин;
• измерения механических величин;
• измерения параметров потока, расхода, уровня объема веществ;
• измерения давления, вакуумные измерения;
• измерения физико-химического состава и свойств веществ;
• измерения времени и частоты;
• измерения электротехнических и магнитных величин;
• радиотехнические и радиоэлектронные измерения;
• измерения характеристик ионизирующих и ядерных констант;
• виброакустические измерения;
• оптические и оптико-физические измерения;
• средства измерений медицинского назначения;
• теплофизические и температурные измерения.
В справочных изданиях принята следующая структура описания средств измерений: регистрационный номер, наименование, номер и срок действия сертификата об утверждении типа средства измерения, местонахождение изготовителя и основные метрологические характеристики. Последние оценивают пригодность средств измерений к измерениям в известном диапазоне с известной точностью.
Метрологические характеристики средств измерений обеспечивают:
• возможность установления точности измерений;
• достижение взаимозаменяемости и сравнение средств измерений между собой;
• выбор нужных средств измерений по точности и другим характеристикам;
• определение погрешностей измерительных систем и установок;
• оценку технического состояния средств измерений при их поверке.
Метрологические характеристики, установленные документами, считаются действительными. На практике наиболее распространены следующие метрологические характеристики средств измерений:
• диапазон измерений — область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые пределы погрешности СИ;
• предел измерения — наибольшее или наименьшее значение диапазона измерения. Для мер — это номинальное значение воспроизводимой величины.
Например, у шкалы (рис. 1.5) начальный участок (-20 %) сжат и производить отсчеты на нем неудобно. Поэтому предел измерения по шкале составляет 50 ед., а диапазон измерения— 10 — 50 ед.
Шкала измерительного прибора градуированная совокупность ток и цифр на отсчетном устройстве средства измерения, соответствующих ряду последовательных значений измеряемой величины. Различают равномерные и неравномерные шкалы.
Цена деления шкалы — разность значений величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы. Приборы с равномерной шкалой имеют постоянную цену деления, а с неравномерной — переменную. В этом случае нормируется минимальная цена деления.
Чувствительность — отношение изменения сигнала Л на выход средства измерения к вызвавшему его изменению сигнала на входе:
Например, для стрелочных средств измерений это отношение перемещения д1 конца стрелки к вызвавшему его изменению измеряемой величины.
Параметры х и у, как правило, выражены в различных единицах, например, миллиметрах и амперах, градусах и вольтах. Поэтому величина S может иметь, например, размерность [мм/А], ['/В], [мм/В] и т. д.
Чувствительность нельзя отождествлять с порогом чувствительности — наименьшим значением измеряемой величины, способным вызвать заметное изменение показаний прибора.
Величину, обратную чувствительности, называют постоянной 1
прибора: C =. S
Как правило, выходным сигналом средства измерения является отсчет (показание) в единицах величины. В этом случае постоянная прибора С равна цене деления. Поэтому для СИ с не равномерной шкалой чувствительность величина переменная.
Основная нормируемая метрологическая характеристика средств измерений — это погрешность, т. е. разность между показаниями средств измерений и истинными (действительными) значениями физических величин.
Все погрешности в зависимости от внешних условий делятся на основные и дополнительные.
Основная погрешность — это погрешность при нормальных условиях эксплуатации. Как правило, нормальными условиями эксплуатации являются: температура 293 + 5 К или 20 + 5 'С, относительная влажность воздуха 65 + 1,5 % при температуре 20'С, напряжение в сети питания 220 В+ 10% с частотой 50 Гц 1 %, атмосферное давление от 97,4 до 104 кПа, отсутствие электрических и магнитных полей (наводок).
Существуют три способа нормирования основной погрешности:
• нормирование пределов допускаемой абсолютной (+Л) или приведенной (+ч) погрешностей, постоянных во всем диапазоне измерения;
• нормирование пределов допускаемой абсолютной (+Л) или относительной (+б) погрешностей в функции измеряемой величины,
• нормирование постоянных пределов допускаемой основной погрешности, различных для всего диапазона измерений одного или нескольких участков.
На практике, когда имеется более широкий диапазон влияющих величин, нормируется и дополнительная погрешность средств измерений.
В качестве предела допускаемой погрешности выступает наибольшая погрешность, вызываемая изменением влияющей величины, при которой средство измерения по техническим требованиям может быть допущено к применению. То же самое относится и к дополнительным погрешностям. При этом исходят из следующих положений:
• дополнительная погрешность имеет такой же вид, что и основная (абсолютная, относительная и приведенная);
• дополнительные погрешности, вызванные различными факторами, должны нормироваться раздельно.
В общем виде суммарная абсолютная погрешность средства измерения при влияющих факторах определяется по формуле основная погрешность средства измерения; дополнительная погрешность, вызванная изменением i-го влияющего фактора.
Дополнительную погрешность иногда нормируют в виде коэффициента, указывающего «на сколько» или «во сколько раз» изменяется погрешность при отклонении номинального значения. Например, указание, что температурная погрешность вольтметра составляет +1 % на 10 'С, означает, что при изменении среды на каждые 10 С добавляется дополнительная погрешность 1 %.
Вследствие сложности разделения дополнительных и основных погрешностей поверку средств измерений выполняют только при нормальных условиях, т. е. дополнительные погрешности исключают.
Значения приведенных погрешностей некоторых средств измерений приведены в табл. 1.3.
Класс точности — это обобщенная метрологическая характеристика, определяющая различные свойства средства измерения.
Например, у показывающих электроизмерительных приборов класс точности помимо основной погрешности включает в себя также вариацию показаний, а у мер электрических величин — величину нестабильности (процентное изменение значения меры в течение года).
Класс точности средства измерения уже включает систематическую и случайную погрешности. Однако он не является непосредственной характеристикой точности измерений, выполняемых с помощью этих СИ, поскольку точность измерения зависит и от методики измерения, взаимодействия СИ с объектом, условий измерения и т. д.
В частности, чтобы измерить величину с точностью до 1 %, недостаточно выбрать средство измерения с погрешностью 1 %. Выбранное СИ должно обладать гораздо меньшей погрешностью, так как нужно учесть как минимум еще погрешность методики.
Существует несколько способов назначения классов точности. При этом в основу заложены следующие положения:
• в качестве норм служат пределы допускаемых погрешностей, включающие в себя систематические и случайные составляющие;
• основная Л, и все виды дополнительных погрешностей Л, нормируются порознь.
Первое положение свидетельствует о необходимости разрабатывать СИ с учетом однократного отсчета показаний по величине общей погрешности.
Классы точности присваивают средствам измерений при их разработке по результатам государственных приемочных испытаний.
В настоящее время в качестве основных установлены три вида классов точности средств измерений:
• для пределов допускаемой абсолютной погрешности в единицах измеряемой величины или делениях шкалы;
• для пределов допускаемой относительной погрешности в виде ряда чисел б = А 10", где А = 1; 1,5; 2; 2,5; 4; 5 и 6; и = 1; 0; — 1; — 2; ... и т. д.;
• для пределов допускаемой приведенной погрешности с тем же рядом у =А 10".
Классы точности средств измерений, выраженные через абсолютные погрешности, обозначают прописными буквами латинского алфавита или римскими цифрами. При этом чем дальше буква от начала алфавита, тем больше значение допускаемой абсолютной погрешности. Например, средство измерения класса С более точно, чем средство измерения класса М.
Наиболее широкое распространение получило нормирование класса точности по приведенной погрешности. Условное обозначение класса точности в этом случае зависит от нормирующего значения Х т. е. от шкалы СИ.
Если Х представляется в единицах измеряемой величины, то класс точности обозначается числом, совпадающим с пределом допускаемой приведенной погрешности. Например, класс 1,5 означает, что у = 1,5 %. Если Х, длина шкалы (например, у амперметров), то класс 1,5 означает, что у = 1,5 % длины шкалы.
Глава 4. Основы метрологического обеспечения различных видов работ
Метрологическое обеспечение имеет четыре основы: научную, нормативную, техническую и организационную (рис. 1.6).
• научной основе метрологического обеспечения говорилось ранее, далее рассмотрим остальные.
4.1. Нормативные основы метрологического обеспечения
Метрологическая деятельность в России основывается на конституционной норме, которая устанавливает, что в федеральном ведении находятся стандарты, эталоны, метрическая система и исчисление времени, и закрепляет централизованное руководство основными вопросами законодательной метрологии, такими, как установление единиц физических величин, эталонов и связанных с ними других метрологических основ.
В рамках обеспечения конституционной нормы были приняты законы «Об обеспечении единства измерений», «0 стандартизации» и «0 техническом регулировании», детализирующие основы метрологической деятельности.
В соответствии с законом «Об обеспечении единства измерений» в стране были организованы органы Государственной метрологической службы, деятельность которых направлена на осуществление государственного метрологического контроля и надзора на территориях республик Российской Федерации, автономных областей и округов. Предприятия, организации, учреждения, являющиеся юридическими лицами, должны создавать метрологические службы для выполнения работ «обеспечению качества измерений.
Государственный метрологический контроль включает в себя работы по созданию и эффективной эксплуатации технических средств и соблюдению метрологических правил и норм, распространяющихся на многие виды экономической деятельности. В рамках государственного метрологического контроля и надзора средства измерений подвергаются обязательным испытаниям с последующим утверждением их типа.
Закон «О стандартизации» устанавливает правовые основы стандартизации, обязательные для применения, и определяет меры государственной защиты интересов потребителей и государства путем разработок и применения различных нормативных документов по стандартизации.
К нормативным документам метрологического обеспечения относятся следующие.
Стандарт — это нормативный документ, в котором устанавливаются для всеобщего и многократного использования правила, общие принципы или характеристики, касающиеся различных видов деятельности или их результатов. Стандарты основываются на обобщенных результатах науки, техники и практики и направлены на достижение максимальной пользы для общества. Стандарты могут быть различных видов и уровней.
Государственный стандарт РФ (ГОСТ Р) — это национальный стандарт, принятый федеральным органом исполнительной власти по стандартизации или федеральным органом исполнительной власти по строительству.
Национальный стандарт — это стандарт, принятый национальным органом по стандартизации одной страны.
Межгосударственный
стандарт (ГОСТ) — это региональный стандарт, принятый государствами,
присоединившимися к Соглашению о проведении согласованной политики в
области стандартизации, метрологии и сертификации (
Региональный стандарт — это стандарт, принятый региональной организацией по стандартизации и доступный широкому кругу пользователей.
Международный стандарт — это стандарт, принятый международной организацией по стандартизации, например, стандарты Международной организации по стандартизации (ИСО).
Отраслевой стандарт (ОСТ) — это стандарт, принятый федеральным органом исполнительной власти в пределах его компетенции.
Стандарты научно-технических и инженерных обществ и тугих общественных объединений (СТО) — разрабатываются и принимаются общественными объединениями для распространения и использования полученных в различных областях знаний результатов исследований и разработок.
Стандарт предприятия (СТП) — это стандарт, принятый субъектом хозяйствования. Стандарты предприятий могут разрабатываться и утверждаться предприятиями самостоятельно, исходя из необходимости их применения в целях совершенствования организации и управления производством. Требования СТП подлежат обязательному соблюдению другими субъектами хозяйственной деятельности, если в договоре на разработку, производство и поставку продукции, а также выполнение работ и оказание услуг сделана ссылка на эти стандарты.
При большом числе стандартов, принимаемых в России и за ее пределами, возникает необходимость приводить их в соответствие друг другу, т. е. гармонизировать.
Гармонизация стандарта — это приведение его содержания в соответствие с другим стандартом, как правило, международным, для обеспечения взаимозаменяемости продукции и услуг, взаимного понимания результатов испытаний и информации, содержащейся в стандартах. Соответственно гармонизированными называются стандарты, принятые различными занимающимися стандартизацией органами, распространяющиеся на одни и те же объекты стандартизации и обеспечивающие взаимозаменяемость продукции, процессов и услуг и взаимное понимание результатов испытаний или информации, представляемой в соответствии с этими стандартами. Гармонизации могут быть подвергнуты и иные нормативные документы.
Технические условия (ТУ) — это нормативный документ, устанавливающий технические требования, которым должна удовлетворять продукция, процесс или услуга. Технические условия на конкретную продукцию и услугу утверждаются пред- приятием-разработчиком, как правило, по согласованию с потребителем.
Правила (ПР) по стандартизации, метрологии, сертификации и аккредитации представляют собой нормативные документы, устанавливающие обязательные для применения организационно-технические и (или) общетехнические положения, порядки, методы выполнения работ в соответствующих областях.
Рекомендации (Р), в том числе и межгосударственные (РМГ), по стандартизации, метрологии, сертификации и аккредитации являются нормативными документами, содержащими добровольные для применения организационно-технические и (или) общетехнические положения, порядки, методы выполнения работ, а также рекомендуемые правила их выполнения.
Методические инструкции (МИ) и руководящие документы (РД) являются нормативными документами методического содержания, разрабатываются организациями, подведомственными Госстандарту России.
Регламент — это документ, содержащий обязательные правовые нормы и принятый соответствующим органом исполнительной власти.
Технический регламент устанавливает на законодательном уровне обязательные для применения и исполнения требования к объектам технического регулирования — продукции, в том числе зданиям, строениям и сооружениям, процессам производства, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации и утилизации. В России действуют общие и специальные технические регламенты.
4.2. Технические основы метрологического обеспечения
4.2.1. Утверждение типа и регистрация средств измерений
Утверждение типа средств измерений является видом государственного метрологического контроля и проводится с целью признания типа СИ пригодным для серийного выпуска.
Порядок проведения испытаний и утверждения типа СИ включает в себя:
• испытания для утверждения типа;
• принятие решения об утверждении типа, его государственную регистрацию и выдачу сертификата об утверждении типа;
• испытания на соответствие утвержденному типу при контроле соответствия СИ утвержденному типу;
• признание утверждения типа или результатов испытаний типа СИ, проведенных компетентными организациями зарубежных стран;
• информационное обслуживание потребителей измерительной техники.
Порядок проведения испытаний и решение об утверждении типа принимается Госстандартом России по результатам обязательных испытаний.
Испытания СИ для утверждения их типа проводят государственные научные метрологические центры (ГНМЦ) и иные специализированные государственные центры испытаний СИ (ГЦИ СИ), которые аккредитуются и регистрируются в Государственном реестре средств измерений.
При испытаниях проверяют соответствие технической документации и технических характеристик СИ требованиям технического задания, технических условий и распространяющихся на них нормативных и эксплуатационных документов, включающих методики поверки средств измерений.
При положительных результатах испытаний Госстандарт России утверждает тип СИ и выдает сертификат об утверждении типа. Средства измерений, на которые выданы сертификаты об утверждении типа, регистрируют в Государственном реестре.
Порядок проведения испытаний на соответствие средств измерений утвержденному типу заключаются в следующем.
Сначала разрабатывается Программа испытаний СИ, которая устанавливает метрологические характеристики и порядок поверки.
Для испытания СИ предоставляются:
• образец (образцы) средства измерения;
• программа испытаний типа, утвержденная ГЦИ СИ;
• технические условия, если предусмотрена их разработка, подписанные руководителем организации-разработчика;
• эксплуатационные документы, а для средств измерений, ввозимых в Россию, комплект документации фирмы-изготовителя на русском языке, прилагаемый к поставляемому средству измерения;
• нормативный документ по поверке при отсутствии раздела «Методика поверки» в эксплуатационной документации.
Испытания проводят в случаях:
• наличия информации от потребителей об ухудшении качества выпускаемых или импортируемых средств измерений;
• внесения в конструкцию или технологию изготовления СИ изменений, влияющих на их нормированные метрологические характеристики;
• истечения срока действия сертификата об утверждении типа.
Для испытания на соответствие СИ утвержденному типу предоставляют следующие документы:
• копию сертификата об утверждении типа;
• копию акта испытаний СИ для утверждения их типа и акт
последних испытаний на соответствие СИ утвержденному типу, если они проводились;
• технические условия;
• эксплуатационные документы.
Информация об утверждении типа и решение об его отмене публикуются в официальных изданиях Госстандарта России.
4.2.2. Поверка средств измерений
Поверка средств измерений это совокупность операций, выполняемых органами Государственной метрологической службы или другими уполномоченными органами и организациями с целью определения пригодности и подтверждения соответствия СИ установленным обязательным требованиям.
Поверку средств измерений производят при их выпуске или после ремонта, при ввозе в страну и в процессе эксплуатации.
Перечни групп средств измерений, подлежащих поверке, утверждает Госстандарт России. Право поверки СИ предоставляется аккредитованным метрологическим службам юридических лиц, а их поверочная деятельность контролируется органами Государственной метрологической службы. Непосредственно поверку осуществляют физические лица, аттестованные в качестве доверителей.
Результатом поверки является подтверждение пригодности средств измерений к применению или признание их непригодными к применению.
В первом случае на СИ и (или) его техническую документацию наносится оттиск поверительного клейма и (или) выдается Свидетельство о поверке. Во втором случае оттиск поверительного клейма и (или) Свидетельство о поверке аннулируется и выписывается Свидетельство о непригодности.
Поверительное клеймо — это знак установленной формы, наносимый на средство измерения и признающий его годным к применению.
Средства измерений подвергают первичной, периодической, внеочередной, инспекционной, а также экспертной поверкам.
Первичная поверка проводится при выпуске СИ или после ремонта, а также при ввозе их в Россию. Такой поверке, как правило, подвергается каждый экземпляр средств измерений.
Периодической поверке подлежат СИ, находящиеся в эксплуатации или на хранении, через определенные интервалы времени. Периодическую поверку должен проходить каждый экземпляр средства измерения. Исключения могут составлять СИ, находящиеся на длительном хранении. Первый межповерочный интервал устанавливают при утверждении типа, а последующие определяются на основе статистики отказов и экономических показателей.
Внеочередную поверку проводят при эксплуатации и (или) хранении СИ до наступления срока его периодической поверки в случаях:
• повреждения знака поверительного клейма или утраты Свидетельств о поверке;
• ввода СИ в эксплуатацию после длительного хранения (больше срока периодической поверки);
• проведения повторной юстировки или настройки, известном или предполагаемом ударном воздействии на СИ или неудовлетворительной его работе;
• отправки потребителю средств измерений, не реализованных по истечении срока, равного половине срока между периодическими поверками;
• применения СИ в качестве комплектующих по истечении срока, равного половине срока между периодическими поверками.
Инспекционную поверку производят для выявления пригодности к применению СИ при осуществлении государственного метрологического надзора. Инспекционную поверку можно производить не в полном объеме, предусмотренном методикой поверки. Результаты инспекционной поверки отражаются в акте.
Экспертная поверка проводится при возникновении спорных вопросов по метрологическим характеристикам, исправности средств измерений и пригодности их к использованию.
Основной метрологической характеристикой, определяемой при поверке, является погрешность, которая находится на основании сравнения показаний, снятых со средства измерения и более точного рабочего эталона, следующими способами:
• сличением (методами противопоставления или замещения) с более точной мерой посредством компарирующего прибора. Общим для этих методик поверки является выработка сигнала о наличии разности размеров сравниваемых величин. Если этот сигнал путем подбора образцовой меры будет сведен к нулю, то реализуется нулевой метод измерения;
• измерением эталонным средством измерения величины, воспроизводимой мерой. В этом случае поверка часто называется градуировкой, при этом на шкалу наносят отметки, соответствующие показаниям рабочего эталона или определяют уточненные значения величин;
• калибровкой, когда с более точной мерой сличается лишь одна мера из набора или одна из отметок шкалы многозначной меры, а действительные размеры других мер определяются путем их взаимного сравнения в различных сочетаниях на приборах сравнения и при дальнейшей обработке результатов измерений.
Компаратор — это измерительный прибор для сравнения измеряемой величины с эталоном, например, равноплечные весы и электроизмерительные потенциометры. Потребность в компараторе возникает при невозможности сравнения показаний приборов, измеряющих одну и ту же величину. Компаратором может служить любое СИ, если оно одинаково реагирует на сигналы поверяемого и эталонного измерительного прибора.
Поверка измерительных приборов проводится:
• методом непосредственного сравнения измеряемых величин и величин, воспроизводимых рабочими эталонами соответствующего разряда или класса точности. Значения величин на выходе мер выбираются равными соответствующим, чаще всего оцифрованным, отметкам шкалы прибора. Наибольшая разность между результатом измерения и соответствующим ему размером эталона является в этом случае основной погрешностью прибора;
• методом непосредственного сличения показаний поверяемого и эталонного приборов при одновременном измерении одной и той же величины. Разность их показаний равна абсолютной погрешности поверяемого СИ.
Существуют и другие методы поверки. Важным при поверке является выбор оптимального соотношения между допускаемыми погрешностями эталонного и поверяемого средства измерения. Как правило это соотношение принимается 1:3, когда при поверке вводят поправки на показания образцовых СИ. Если поправку не вводят, то эталонные средства измерений выбираются из соотношения 1:5.
Для правильной передачи размеров единиц измерения от эталонов к рабочим СИ составляют поверочные схемы, устанавливающие метрологические соподчинения государственного эталона, разрядных эталонов и рабочих СИ. Государственные поверочные схемы распространяются на все СИ.
Локальные поверочные схемы предназначены для метрологических органов ведомств, подчиненных им предприятий и конкретных предприятий. Все локальные схемы должны соответствовать требованиям соподчиненности, установленным государственной поверочной схемой.
Юридические и физические лица, выпускающие средства измерений из производства или ремонтирующие, ввозящие и использующие их для эксплуатации, обязаны своевременно предоставлять СИ на поверку. Графики поверки составляются на срок, устанавливаемый владельцами СИ.
4.2.3. Калибровка средств измерений
В сферах деятельности, где государственный метрологический надзор и контроль не являются обязательными, для обеспечения метрологической исправности средств измерений применяется калибровка.
Калибровка средства измерений (калибровочные работы) — это совокупность операций, выполняемых с целью определения и подтверждения действительных значений метрологических характеристик и (или) пригодности к применению СИ, не подлежащего государственному метрологическому контролю И надзору.
Для проведения калибровочных работ создана Российская система калибровки (РСК) — совокупность субъектов деятельности и калибровочных работ, направленных на обеспечение единства измерений в сферах, не подлежащих государственному метрологическому контролю и надзору. Система калибровки действует на основе специально установленных требований к организации и проведению калибровочных работ. Российская система калибровки заменяет ведомственную поверку и метрологическую аттестацию средств измерений.
Организация, выполняющая калибровочные работы, должна иметь средства калибровки — эталоны, установки и другие средства измерений, применяемые при калибровке в соответствии с установленными правилами. Они призваны обеспечить передачу размера единиц от государственных эталонов калибруемым средствам измерений.
Основными направлениями деятельности РСК являются:
• регистрация органов, осуществляющих аккредитацию метрологических служб юридических лиц на право проведения калибровочных работ;
• аккредитация метрологических служб юридических лиц право проведения калибровочных работ;
• калибровка средств измерений;
• инспекционный контроль за соблюдением аккредитованными метрологическими службами требований к проведению калибровочных работ.
Аккредитацию метрологических служб юридических лиц на право проведения калибровочных работ в рамках Российской системы калибровки проводят соответствующие аккредитующие органы, главными задачами которых являются:
• аккредитация метрологических служб в соответствии со своей специализацией и проведение инспекционного контроля;
• передача размеров единиц аккредитованным метрологическим службам от государственных или международных эталонов;
• разработка, формирование (комплектация) и актуализация фонда нормативных документов по калибровочной деятельности данной специализации;
• оформление и выдача аттестата аккредитации метрологическим службам на право калибровки СИ, предоставление материалов для внесения в Реестр РСК аккредитованных метрологических служб;
• принятие решения о признании зарубежных сертификатов о калибровке или калибровочных знаков и доведение принятых решений до сведения заинтересованных юридических лиц;
• отмена или приостановление действия выданных от имени данного аккредитующего органа сертификатов о калибровке СИ;
• ведение перечня аккредитованных метрологических служб и подготовка для опубликования информации о результатах аккредитации;
• организация повышения квалификации и аттестации персонала;
• метрологическая экспертиза нормативных документов по калибровке СИ;
• калибровка и оформление результатов калибровки СИ.
Основой РСК являются аккредитованные метрологические службы юридических лиц, которые обязаны соблюдать требования к выполнению и обеспечивать качество калибровочных работ, соответствовать требованиям аккредитации, проводить калибровку только по тем областям измерений, которые входят в область аккредитации, а также поверять свои эталоны в установленные сроки.
Метрологическая служба, выполняющая калибровочные работы, должна иметь:
• поверенные и идентифицированные средства калибровки, применяемые при калибровке в соответствии с установленными правилами;
• документы, регламентирующие организацию и проведение калибровочных работ. К ним относятся документ на область аккредитации, документация на средства измерений и калибровки, нормативные документы на калибровку, процедуры калибровки и использования ее данных;
• профессионально подготовленный и квалифицированный персонал;
• помещения, удовлетворяющие нормативным требованиям. Результаты калибровки удостоверяются калибровочным знаком, наносимым на СИ, или Свидетельством о калибровке, а также записью в эксплуатационные документы.
Основные требования к выполнению калибровочных работ устанавливаются в специальном документе — «Руководство по качеству организации и выполнению калибровочных работ». Он предусматривает следующие основные разделы: политика в области качества, область деятельности, средства калибровки и документация, персонал и помещения.
Калибровка СИ проводится теми же методами, что и проверка.
4.2.4. Аттестация средств измерений и испытательного оборудования
Метрологическая аттестация — это признание средства измерений пригодным для применения на основании тщательных исследований метрологических свойств этого средства.
Метрологической аттестации, как правило, Подвергаются средства измерений, не подлежащие государственным испытаниям или утверждению типа органами Государственной метрологической службы, а также опытные образцы, измерительные приборы, выпускаемые или ввозимые из-за границы в единичных экземплярах или мелкими партиями, измерительные систем мы и их каналы.
Основными задачами аттестации являются:
• определение метрологических характеристик и установление их соответствия требованиям нормативной документации;
• установление перечня метрологических характеристик, подлежащих контролю при поверке.
Метрологическая аттестация проводится органами государственной или ведомственной метрологической службы по специально разработанной и утвержденной программе. При положительных результатах выдается Свидетельство о метрологической аттестации установленной формы, где указывают его установленные метрологические характеристики.
Основная цель аттестации испытательного оборудования заключается в подтверждении возможности воспроизведения условий испытаний в пределах допустимых отклонений и в установлении пригодности использования данного оборудования в соответствии с его назначением.
Аттестация, как и поверка, бывает первичной, периодической и повторной.
Первичная аттестация заключается в экспертизе эксплуатационной и проектной документации, экспериментальном определении технических характеристик испытательного оборудования и подтверждении пригодности его к использованию.
В процессе первичной аттестации устанавливают:
• возможность воспроизведения внешних воздействующих факторов или режимов функционирования объекта испытания, установленных в документах на методики испытаний конкретных видов продукции;
• отклонения параметров условий испытаний от нормированных значений;
• обеспечение безопасности персонала и отсутствие вредного воздействия на окружающую среду;
• перечень характеристик оборудования, которые должны проверяться при периодической аттестации, а также методы, средства и периодичность ее применения.
Периодическую аттестацию проводят в процессе эксплуатации испытательного оборудования в объеме, необходимом для подтверждения соответствия его характеристик требованиям нормативных документов на методики испытаний и эксплуатационных документов.
4.3. Организационные основы метрологического обеспечения
4.3.1. Государственная метрологическая служба
Метрологическая служба — это совокупность субъектов деятельности и видов работ, направленных на обеспечение качества измерений.
Государственная метрологическая служба (ГМС) несет ответственность за метрологическое обеспечение измерений в стране на межотраслевом уровне и осуществляет государственный метрологический контроль и надзор. В состав ГМС входят государственные научные метрологические центры и научно-исследовательские институты, несущие в соответствии с законодательством ответственность за создание, хранение и применение государственных эталонов и разработку нормативных документов по обеспечению единства измерений в закрепленном виде изменений. Руководство ГМС осуществляет Госстандарт России.
Государственные научные метрологические центры (ГНМЦ) образуются из числа находящихся в ведении Госстандарта России предприятий и организаций или их структурных подразделений. Они выполняют работы по созданию, совершенствованию, хранению и применению государственных эталонов единиц величин, а также ведут разработку нормативных документов обеспечению единства измерений. Они имеют высококвалифицированные научные кадры. Присвоение конкретному предприятию или организации статуса ГНМЦ не изменяет формы собственности и организационно-правовой формы, а означает лишь отнесение их к категории объектов, предполагающей особые формы государственной поддержки.
Основными функциями Государственной метрологической службы являются:
• создание, совершенствование, хранение и применение государственных эталонов единиц величин;
• выполнение фундаментальных и прикладных научно-исследовательских и конструкторских работ в области метрологии, в том числе по созданию уникальных опытно-экспериментальных установок, шкал и исходных мер для обеспечения единства измерений;
• передача размеров единиц величин от государственных эталонов исходным;
• проведение государственных испытаний средств измерений;
• разработка и совершенствование научных; нормативных,
организационных и экономических основ деятельности по обеспечению единства измерений в соответствии со специализацией;
• участие в сличении государственных эталонов с национальными эталонами других стран, разработке международных норм и правил и др.
4.3.2. Метрологические службы государственных органов управления РФ и юридических лиц
Метрологические службы государственных органов управления РФ и юридических лиц создаются для научно-технического и организационно-методического руководства работами по метрологическому обеспечению.
При выполнении работ по распространению государственного метрологического контроля и надзора создание метрологических служб является обязательным. К таким сферам деятельности относятся здравоохранение, оборона государства, обязательная сертификация продукции и услуг, регистрация национальных и международных спортивных рекордов и др.
Метрологическая служба государственного органа управления может включать в себя:
• структурные подразделения главного метролога в центральном аппарате государственного органа управления;
• головные и базовые организации метрологической службы в отраслях и подотраслях, назначаемые государственным органом управления;
• метрологические службы предприятий, объединений, организаций и учреждений.
Метрологические службы юридических лиц, т. е. предприятий, организаций или учреждений, независимо от их подчиненности и форм собственности образуются, как правило, в виде самостоятельных структурных подразделений для обеспечения единства и требуемой точности измерений.
В состав метрологических служб могут входить самостоятельные калибровочные и поверочные лаборатории, а также структурные, подразделения по ремонту средств измерений.
Главными задачами метрологических служб являются:
• обеспечение качества измерений, повышение уровня и развитие техники измерений на предприятиях;
• определение основных направлений деятельности и выполнение работ по метрологическому обеспечению исследований, разработок, производства, испытаний и эксплуатации продукции;
• внедрение современных методик и СИ, автоматизированного контрольно-измерительного оборудования, информационно-измерительных систем и комплексов, эталонов, применяемых для калибровки средств измерений;
• осуществление надзора за созданием и применением СИ, аттестованными методиками выполнения измерений, эталонами единиц величин, применяемыми для калибровки, соблюдением метрологических правил и норм, нормативных документов по обеспечению единства измерений.
В соответствии с поставленными задачами основными обязанностями метрологических служб юридических лиц являются участие в разработке программ и методик и аттестации средств испытаний и контроля, проведение работ по метрологическому обеспечению испытаний и сертификации продукции, участие в аттестации испытательных подразделений и аналитических лабораторий.
Для выработки и проведения единой технической политики, координации работ в области обеспечения качества измерений в отраслях, закрепленных за соответствующим государственным органом управления, назначается головная организация метрологической службы, которая назначается государственным органом управления по согласованию с Госстандартом России.
Для выполнения работ по обеспечению качества измерений в подотрасли при проведении исследований, разработок, испытаний государственный орган управления назначает базовые организации метрологической службы. Базовые организации могут назначаться по территориальному принципу с прикреплением к. ним объединений и предприятий определенного региона, в частности, для выполнения работ по калибровке и ремонту средств измерений. Они утверждаются государственным органом управления по согласованию с Госстандартом России.
Метрологические службы научно-исследовательских, проектно-конструкторских и технологических организаций и учреждений, включают в себя отдел главного метролога и (или) другие структурные подразделения и создаются для выполнения задач по обеспечению качества измерений и метрологическому обеспечению исследований, разработок, испытаний и эксплуатации продукции.
Метрологические службы предприятия могут иметь самостоятельные калибровочные лаборатории, которые осуществляют калибровку средств измерений для собственных нужд или сторонних юридических лиц. Они могут быть аккредитованы на право поверки и (или) калибровки средств измерений.
Глава 5. Аккредитация метрологических служб
5.1. Общие правила аккредитации в Российской Федерации
Аккредитация — это процедура, по результатам которой аккредитующий орган официально признает компетентность физического или юридического лица выполнять работы в определенной области оценки соответствия.
Критерии аккредитации — это совокупность требований, которым должен удовлетворять субъект аккредитации для того, чтобы быть признанным компетентным выполнять конкретные работы по оценке соответствия.
Аккредитованный субъект — это субъект, признанный компетентным выполнять конкретные работы по оценке соответствия.
Оценка соответствия — прямое или косвенное определение соблюдения требований, предъявляемых к объекту.
Подтверждение соответствия — документальное удостоверение соответствия продукции или иных объектов, процессов производства, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации и утилизации, выполнения работ или оказания услуг требованиям технических регламентов, положениям стандартов или условиям договоров.
Основными целями аккредитации являются:
• обеспечение доверия потребителей к деятельности по подтверждению соответствия продукции или услуг установленным требованиям;
• создание условий для взаимного признания результатов деятельности аккредитованных субъектов на национальном и международном уровне.
Аккредитация основывается на следующих принципах:
• добровольность — осуществляется в отношении субъектов, добровольно изъявивших желание получить оценку своей компетентности в определенной области, подавших в установленном порядке письменную заявку об этом в аккредитующий орган и добровольно пожелавших следовать установленным правилам;
• компетентность — обеспечивается соответствующим подбором кадров, системой подготовки экспертов, участвующих в аккредитации и привлечением, при необходимости, специалистов в отдельных областях знаний;
• независимость — обеспечивается участием в работах по аккредитации организаций и экспертов по аккредитации, свободных от любого коммерческого, финансового, административного или другого воздействия, которое может оказать влияние на принимаемые решения;
• недопущение дискриминации и принятия пристрастных решений при аккредитации — обеспечивается применением единых критериев аккредитации;
• доступность — достигается информированием заявителя о правилах и условиях аккредитации;
• конфиденциальность информации, составляющей коммерческую тайну заявителя.
5.2. Аккредитации метрологических служб юридических лиц на право проведения поверок
По решению Госстандарта России право поверки средств измерений может быть предоставлено только аккредитованным метрологическим службам юридических лиц.
Аккредитация метрологических служб юридических лиц является официальным признанием их полномочий в проведении поверки средств измерений.
При аккредитации Госстандарт России выдает метрологическим службам аттестат аккредитации с приложением, в котором указывается область аккредитации.
Метрологическая служба должна иметь положение, структуру, систему обеспечения качества, персонал, необходимые эталоны, помещения и обеспечивать необходимые условия для проведения поверки средств измерений.
Эталоны должны содержаться в условиях, обеспечивающих их сохранность и защиту от повреждения и преждевременного износа. Для эталонов должны быть разработаны и утверждены графики технического обслуживания, а также графики поверок. Неисправные эталоны должны сниматься с эксплуатации и иметь соответствующие этикетки, указывающие на их непригодность для выполнения своих функций.
Персонал метрологической службы должен иметь профессиональную подготовку, технические знания и опыт, необходимый для проведения поверок в признанной области аккредитации. Для каждого сотрудника должны быть установлены требования к уровню образования, профессиональной подготовке, техническим знаниям и опыту работы в области поверки средств измерений. Сотрудники, непосредственно участвующие в проведении поверок, должны быть аттестованы в качестве поверителей.
Помещения для проведения поверок должны соответствовать по площади, состоянию и условиям (температура, влажность, чистота воздуха, освещенность и т. п.) требованиям, содержащихся в документах по поверке, санитарным нормам и правилам, а также требованиям безопасности труда и охраны окружающей среды. Доступ к местам проведения поверок должен находиться под контролем. Присутствие посторонних лиц должно быть ограничено.
Метрологическая служба должна располагать соответствующей актуализированной, т. е. действующей на момент проведения поверок, документацией, включающей в себя:
• методики поверок средств измерений, определенные областью аккредитации;
• документы, регламентирующие правила по обеспечению надлежащего состояния эталонов;
• документы, определяющие правила хранения информации (протоколы, рабочие журналы и т. п.).
Аккредитация метрологических служб предусматривает следующие этапы:
• направление материалов в аккредитующий орган;
• экспертиза представленных документов, формирование и утверждение комиссии;
• проверка метрологической службы комиссией, оформление акта проверки и принятие решения об аккредитации;
• оформление, регистрация и выдача Госстандартом России аттестата аккредитации на срок до пяти лет.
Контроль за деятельностью аккредитованных метрологических служб осуществляется органами Государственной метрологической службы, при этом проверяется:
• соблюдение обязанностей метрологической службы;
• наличие поверенных в установленном порядке эталонов и правильность использования эталонов других организаций;
• своевременность актуализации и правильность ведения фонда нормативных документов, а также их учет и хранение;
• квалификацию персонала, наличие должностных инструкций, знание персоналом своих прав, обязанностей и нормативных документов;
• правильность проведения поверок средств измерений и взимания платы за поверки.
5.3. Аккредитация метрологических служб юридических лиц на право проведения калибровочных работ
Аккредитация метрологической службы на право проведения калибровочных работ — это официальное признание уполномоченным государственным органом право метрологической службы юридического лица на проведение калибровочных работ. Она осуществляется для подтверждения условий, необходимых для обеспечения качества измерений в сферах, не подлежащих государственному метрологическому контролю и надзору.
Аккредитацию осуществляют в рамках Российской системы калибровки государственные научные метрологические центры или органы Государственной метрологической службы в соответствии со своей компетенцией. В область аккредитации метрологической службы включают шифр калибровочного клейма, а также тип калибруемых СИ.
5.4. Аккредитация метрологических служб юридических лиц на право аттестации методик выполнения измерений и проведения метрологической экспертизы документов
Аккредитация метрологических служб юридических лиц на право аттестации методик выполнения измерений и проведения метрологической экспертизы документов осуществляется по их инициативе на основе договоров, заключаемых с государственными научными метрологическими центрами, органами Государственной метрологической службы Госстандарта России. Аккредитация организаций Государственной службы стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов ,(ГССО) или, других структурных подразделений юридических лиц, основное содержание деятельности которых и заявляемая область аккредитации связаны с проведением работ по стандартным образцам, на право проведения метрологической экспертизы технической документации, предназначенной для изготовления, аттестации и применения стандартных образцов ,осуществляется по инициативе организаций ГССО и указанных юридических лиц.
Аккредитация метрологических служб юридических лиц на право проведения аттестации методик выполнения измерений, применяемых в сферах распространения государственного метрологического контроля и надзора, является обязательной.
Аккредитация метрологических служб юридических лиц на право проведения метрологической экспертизы документов является добровольной.
Аккредитация метрологических служб юридических лиц на право аттестации методик выполнения измерений и проведения метрологической экспертизы документов допускается при следующих условиях:
• наличие аттестованных метрологической службой методик выполнения измерений, отчетов исследовательских работ;
• наличие экспертных заключений по документам категорий, указанных в заявленной области аккредитации;
• внедрение в практику метрологической экспертизы основных положений методических документов Госстандарта России;
• наличие оборудования, необходимого для проведения работ по аттестации методик выполнения измерений в заявленной области;
• наличие стандартов и других нормативных документов Государственной системы обеспечения единства измерений, других нормативных документов в области деятельности аккредитуемой организации и др.
Каждая единица средств измерений, контроля, испытаний, эталонов, стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов, испытательного оборудования, используемая для аттестации методик выполнения измерений, должна быть учтена. Сотрудники, непосредственно участвующие в проведении аттестации методик выполнения измерений и метрологической экспертизы документов, должны знать формы представления результатов измерений, характеристики погрешности измерений, а также способы их использования для определения погрешностей испытаний и достоверности контроля параметров продукции. Такие специалисты должны быть аттестованы в качестве экспертов в порядке, установленном Госстандартом России.
При аккредитации устанавливается наличие методик выполнения измерений, стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов.
5.5. Требования к Государственным центрам испытаний средств измерений и порядок их аккредитации
Испытания средств измерений для утверждения их типа проводятся государственными научными метрологическими центрами Госстандарта России, аккредитованными в качестве ГЦИ СИ.
ГЦИ СИ имеет структуру, персонал, испытательное оборудование, средства измерений, помещения и прочие условия, обеспечивающие проведение испытаний средств измерений.
Для каждого сотрудника установлены требования к уровню образования, профессиональной подготовке, техническим знаниям и опыту работы в области испытаний средств измерений.
Каждая единица испытательного оборудования и средств измерений регистрируется в ГЦИ СИ. Испытательное оборудование, необходимое для проведения испытаний в аккредитованной области, должно быть аттестовано и иметь соответствующий документ. Средства измерений, необходимые для проведения испытаний в аккредитованной области, должны иметь свидетельство о поверке или сертификат о калибровке, а стандартные образцы веществ и материалов — отвечать требованиям соответствующих нормативных документов по обеспечению качества измерений.
ГЦИ СИ располагает соответствующими нормативными документами по обеспечению качества измерений: типовыми программами и программами испытаний средств измерений; документацией, устанавливающей технические требования к испытываемым средствам измерений; методиками поверки испытываемых в области аккредитации средств измерений; эксплуатационной документацией на испытательное оборудование и средства измерений и др.
ГЦИ СИ располагают помещениями, обеспечивающими необходимые условия проведения испытаний и исключающими воздействия на результаты измерений.
Глава 6. Метрологический надзор и контроль
Метрологический контроль и надзор — это деятельность, осуществляемая органом Государственной метрологической службы или метрологической службой юридического лица с целью проверки соблюдения установленных метрологических правил и норм.
6.1. Контроль за деятельностью аккредитованных метрологических служб
Порядок осуществления государственного метрологического надзора за выпуском, состоянием и применением средств измерений, аттестованными методиками выполнения измерений, эталонами и соблюдением метрологических правил и норм устанавливается Госстандартом России.
Государственный метрологический надзор осуществляется на предприятиях, в организациях и учреждениях независимо от их подчиненности и форм собственности в виде проверок выпуска, состояния и применения средств измерений, эталонов и соблюдения иных метрологических правил и норм.
Проверки проводятся на предприятиях, деятельность которых относится к сферам распространения государственного метрологического контроля и надзора.
Основными задачами проверок являются:
• определение соответствия выпускаемых средств измерений утвержденному типу;
• определение состояния и правильности применения средств измерений, в том числе эталонов, применяемых для поверки СИ;
• определение правильности использования аттестованных методик выполнения измерений;
• контроль соблюдения метрологических правил и норм.
6.2. Государственный метрологический надзор за выпуском средств измерений, за состоянием и применением методик выполнения измерений
Государственный метрологический надзор (ГМН) за выпуском средств измерений включает в себя:
• проверку соблюдения основных правовых и юридических требований при выпуске средств измерений, например, наличие аттестатов аккредитации на право проведения поверок, наличие утвержденной в установленном порядке конструкторской и технологической документации и т. п.;
• проверку соблюдения метрологических требований к техническим средствам, используемым при выпуске СИ;
• проверку наличия эталонов, необходимых для первичной поверки, и требований к процедуре поверки эталонов и т. п.;
• проверку соблюдения метрологических требований к процедурам испытаний средств измерений, в том числе выполнение требований документов, регламентирующих порядок испытаний средств измерений и их поверку;
• проверку соответствия выпускаемых средств утвержденному типу.
Государственный метрологический надзор за состоянием и применением методик выполнения измерений (МВИ) производят для обеспечения точности результатов измерений и достоверности результатов контроля и испытаний (сведение к рациональному минимуму вероятности ошибочных решений по результатам измерений, контроля и испытаний).
Государственный метрологический надзор за состоянием МВИ включает в себя: контроль полноты сведений об МВИ; проверку выполнения требования об обязательной аттестации; проверку соблюдения установленного порядка и процедур аттестации МВИ.
Типичными ошибками в аккредитованных испытательных лабораториях являются: применение неаттестованного испытательного оборудования; проведение измерений по не аттестованным методикам с неизвестной точностью результатов измерений; отсутствие или недостаточное использование системы внутри лабораторного и межлабораторного контроля точности результатов измерений и испытаний.
6.3. Проверка центров стандартизации, метрологии и сертификации
Целью проверки надзорной деятельности центров стандартизации, метрологии и сертификации (ЦСМ) является подтверждение соответствия работ по надзорной деятельности установленным нормам и правилам, а также оценка ее эффективности.
Задачи проверки надзорной деятельности ЦСМ:
• определение соответствия надзорной деятельности нормам и правилам, установленным в нормативных и директивных документах Госстандарта России;
• определение возможностей надзорных служб исполнять возложенные на них Госстандартом России функции по государственному контролю и надзору и обеспечивать реализацию государственной политики в этой области;
• предоставление объективной информации о способности надзорных служб обеспечивать организацию и осуществлять надзор в соответствии с установленными нормами и правилами и надлежащее исполнение возложенных на них функциональных обязанностей;
• определение правомерности и достаточности принимаемых по результатам надзорной деятельности мер воздействия к проверяемым субъектам.
Проверка осуществления надзорной деятельности за соблюдением правил обязательной сертификации органами по сертификации и испытательными лабораториями проводится с учетом проверки соблюдения руководящих документов и требований правил по метрологии.