Метрология. Основные понятия

Министерство образования и  науки РФ

 

Государственное образовательное  учреждение

высшего профессионального образования

Тульский государственный университет

 

Кафедра СЭиТД

 

 

 

 

 

 

 

Контрольно - курсовая работа

по дисциплине «Стандартизация, сертификация и метрология»

 

Тема: «Метрология. Основные понятия.»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил      студент  гр. 760481

Гуськова А.А.

 

 

 

Проверил                                Светличный А.А. 

 

 

 

 

 

 

 

Тула 2013

Содержание

Введение                                                                                                        3

1. Метрология в современном понимании                                         4

1. Физические величины                                                        5

2. Международная система единиц                                      6

3. Виды измерений                                                                      7

4. Методы измерений                                                                 9

5. Характеристики средств измерения                               10

6. Классы точности средств измерения                              11

7. Проверка средств измерений                                          12

8. Государственный контроль за средствами измерений 13

9. Испытания и утверждение средств измерений             16

10. Систематические, прогрессирующие и случайные погрешности                                                                       18

Заключение                                                                                            22

Список использованных источников                                                23

 

Введение

В физике и технике единицы измерения (единицы  физических величин), используются для  стандартизованного представления  результатов измерений. Численное  значение физической величины представляется как отношение измеренного значения к некоторому стандартному значению, которое и является единицей измерения. Число с указанием единицы  измерения называется именованным.

Различают базовые единицы измерения, которые  определяются с помощью эталонов, и производные единицы, определяемые с помощью базовых. Выбор величины и количества базовых единиц измерения  может быть произвольным и определяется только традициями или соглашениями. Существует большое количество различных  систем единиц измерения, которые различаются  выбором базовых единиц измерения.

Государство, как правило, законодательно устанавливает  какую-либо систему единиц. Метрология непрерывно работает над улучшением единиц измерения и базовых единиц и эталонов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Метрология в современном понимании

Метрология в современном понимании - наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности

Единство  измерений предполагает, что результаты измерений выражены в указанных единицах и погрешности известны с заданной вероятностью.

Для качественного  выполнения процесса измерений и  обеспечения требуемой точности показаний измерительных приборов необходимо так организовать измерительное  дело, чтобы обеспечить единообразие измерений, т.е. совпадение результатов  измерений, производимых в разных местах разными приборами.

Под единообразием средств измерений понимают градуировку их в указанных единицах и соответствие нормам их метрологических свойств.

В метрологии рассматривают:

- единицы  физических величин и их системы,  методы и средства измерений;

- общую  теорию измерений;

- основы  обеспечения единства и единообразия  средств измерений;

- эталоны  и образцовые средства измерений;

- методы  передачи размеров единиц от  эталонов или образцовых средств  измерений рабочим средствам  измерений.

Основной  целью метрологического обеспечения  в строительстве является повышение  качества возводимых зданий и сооружений и эффективности организации  и управления строительно-монтажным  производством. В частности отметим, что количественная оценка качества монтажа и стабильности технологических  процессов предполагают наличие  достоверной информации, получаемой посредствам измерений показателей  качества продукции.

Поэтому оснащение монтажных участков средствами измерений, содержание их в исправном  состоянии - необходимая предпосылка, достоверности результатов контроля качества строительной продукции.

1. Физические величины

Физическая  величина является понятием как минимум  двух наук: физики и метрологии. По определению  физическая величина представляет собой  некое свойство объекта, процесса, общее  для целого ряда объектов по качественным параметрам, отличающееся, однако, в  количественном отношении (индивидуальная для каждого объекта). Есть целый  ряд классификаций, созданных по различным признакам. Основными  из них является деления на:

1) активные  и пассивные физические величины - при делении по отношению  к сигналам измерительной информации. Причем первые (активные) в данном  случае представляют собой величины, которые без использования вспомогательных  источников энергии имеют вероятность  быть преобразованными в сигнал  измерительной информации. А вторые (пассивные) представляют собой  такие величины, для измерения  которых нужно использовать вспомогательные  источники энергии, создающие  сигнал измерительной информации;

2) аддитивные (или экстенсивные) и неаддитивные (или интенсивные) физические  величины - при делении по признаку  аддитивности. Считается, что первые (аддитивные) величины измеряются  по частям, кроме того, их можно  точно воспроизводить с помощью  многозначной меры, основанной на  суммировании размеров отдельных  мер. А вторые (неаддитивные) величины  прямо не измеряются, так как  они преобразуются в непосредственное  измерение величины или измерение  путем косвенных измерений. В  1791 г. Национальным собранием  Франции была принята первая  в истории система единиц физических  величин. Она представляла собой  метрическую систему мер. В  нее входили: единицы длин, площадей, объемов, вместимостей и веса. А в их основу были положены две общеизвестные ныне единицы: метр и килограмм.

В основу своей методики ученый заложил три  основные независимые друг от друга  величины: массу, длину, время. А в  качестве основных единиц измерения  данных величин математик взял миллиграмм, миллиметр и секунду, поскольку  все остальные единицы измерения  можно с легкостью вычислить  с помощью минимальных. Так, на современном  этапе развития выделяют следующие  основные системы единиц физических величин:

1) система СГС (1881 г.);

2) система МКГСС (конец XIX в.);

3) система МКСА (1901 г.)

2. Международная система единиц

СИ (SI, фр. Systиme International d'Unitйs) (Система Интернациональная) -- международная система единиц, современный вариант метрической  системы. СИ является наиболее широко используемой системой единиц в мире, как в повседневной жизни, так  и в науке и технике. Тем  не менее, в большинстве научных  работ по электродинамике используется Гауссова система единиц, из-за ряда недостатков системы СИ. В частности, в системе СИ напряжённость и  индукция имеют разную размерность: возникает т. н. диэлектрическая  проницаемость вакуума, что лишено физического смысла.

В настоящее  время СИ принята в качестве основной системы единиц большинством стран  мира и почти всегда используется в области техники, даже в тех  странах, в которых в повседневной жизни используются традиционные единицы. В этих немногих странах (например, в США) определения традиционных единиц были изменены -- они стали  определяться через единицы СИ.

Названия  единиц СИ пишутся со строчной буквы, после обозначений единиц СИ точка  не ставится, в отличие от обычных  сокращений.

3. Виды измерений

Измерения как экспериментальные процессы весьма разнообразны. Это объясняется множеством экспериментальных величин, различным характером измерения величин, различными требованиями точности измерения и другие.

Наиболее распространена классификация видов измерений  в зависимости от способа обработки  экспериментальных данных. В соответствии с этой классификацией измерения  делятся на прямые, косвенные, совместные и совокупные.

Косвенное измерение - измерение, при котором искомое значение величины находится на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям.

· сопротивление резистора  находим на основании закона Ома  подстановкой значений силы тока и  напряжения, получаемых в результате прямых измерений. (Проводим прямое измерение  напряжения, проводим прямое измерение  тока, потом на основании полученных ДВУХ чисел получаем косвенное "измерение" сопротивления)

Замечания (касается РФ)

Проблема данного определения  в том, что под такую трактовку  понятия "Косвенного измерения" попадают любые программные расчеты на ЭВМ. Это не гипотетическая ситуация - ВНИИМС выпустил соответствующие  МИ 2955-2010,МИ3290-2010,МИ3286. МИ 2955-2010 это "Типовая  методика аттестации программного обеспечения  средств измерений". Теперь, все  программное обеспечение АИИС (автоматизированные информационно-измерительные системы), обрабатывающее результаты измерений  считается выполняющим "косвенные (или совокупные) измерения" и  требует фиксации, аттестации, поверки. Под "фиксацией" в данных методиках  испытаний (МИ) понимают расчет контрольных  сумм файлов, и при любых изменениях контрольных сумм необходимо перепроверять  и переаттестовывать систему. Под  подобную трактовку попадают любые программы, связанные с расчетами за электроэнергию, газ, воду, тепло и т.д. Естественно, поверку и аттестацию предполагается выполнять не бесплатно.

Совместное измерение -- одновременное измерение нескольких не одноимённых величин, для нахождения зависимости между ними. При этом решается система уравнений.

· определение зависимости  сопротивления от температуры. При  этом измеряются не одноимённые величины, по результатам измерений определяется зависимость.

· определение зависимости  тока от напряжения: меняем напряжение, и смотрим, как при этом меняется ток, проводим соответствующие измерения  меняющихся напряжения и тока, получаем зависимость тока от напряжения, а  потом определяем, что это за зависимость, и все ее параметры.

Совокупное измерение - это проведение ряда измерений (чаще всего прямых, но, вообще-то, измерения из ряда могут быть любыми - вспомните, как получаются сложные функции в математике) нескольких величин одинаковой размерности в различных сочетаниях, после чего искомые значения величин находятся решением системы уравнений. Число уравнений при этом должно быть равно числу измерений.

· измерение сопротивления  резисторов, соединённых треугольником. При этом измеряется значение сопротивления  между вершинами. По результатам  определяются сопротивления резисторов.

· определение масс гирь набора гирь (1, 2, 2, 5) кг с использованием одной эталонной гири 1 кг и компаратора  масс ("весов", предназначенных  для определения разности масс двух грузов). Компилируют, например:

- эталон с гирей 1 кг  из набора; - эталон + гирю 1 кг из  набора с гирей 2 кг из набора; - эталон + гирю 1 кг из набора с  другой гирей 2 кг из набора; - гири 1 + 2 + 2 кг из набора с оставшейся  гирей 5 кг из набора.

4. Методы измерения

Точность  измерений зависит от точности применяемого средства, применяемого метода и от воздействия внешних факторов. Под  методикой выполнения измерений  понимают совокупность методов, средств, процедур, условий подготовки и проведения измерений, а также правил обработки  результатов при выполнении конкретных измерений. Основной законодательной  базой является закон «Об обеспечении  единства измерений»: «Необходимо при  измерении пользоваться аттестованными в установленном порядке методиками».

Разработка  методик должна включать:

1. Анализ  технических требований к точности  измерений.

2. Определение  конкретных условий измерений.

3. Выбор  испытательного и вспомогательного  оборудования, а также средств  измерений.

4. Исследование  влияния условий проведения измерений  и подготовки объектов к измерению.

5. Определение  порядка подготовки средств измерения  к работе, последовательности и  количества измерений.

6. Разработку  или выбор алгоритма обработки  результатов и правил оформления  результатов.

Методики  измерений отражены в следующей  нормативно-технической документации: государственные стандарты или  методические указания, отраслевые методики (ОСТ), стандарты предприятий и  организаций (СТП, СТО). В нормативно-технической  документации на методики предусматриваются: нормы точности, специфика измеряемой величины, уровень автоматизации, правила  обработки данных и т. д. Методики выполнения измерений перед их вводом в действие должны быть аттестованы  или стандартизированы. При аттестации необходимо учитывать все факторы, влияющие на точность измерений, устанавливающие  достоверность результатов. Аттестацию проводят государственные или ведомственные службы.

Аттестация  включает в себя:

1. Разработку  и утверждение программы аттестации.

2. Выполнение  исследований в соответствии  с программой.

3. Составление  и оформление отчёта.

4. Оформление  аттестата методики выполнения  измерений.

5. Характеристики средств измерения

Метрологические характеристики - это технические  характеристики, описывающие свойства и оказывающие влияние на результаты и погрешности измерений.

В зависимости  от специфики и назначения средств  измерений нормируются различные  наборы метрологических характеристик, которые должны быть достаточными для  учёта свойств средств измерения  и погрешности измерения.

Набор метрологических  характеристик выбирают таким образом, чтобы обеспечить возможность их контроля при приемлемых затратах.

В эксплуатационной документации указывают рекомендуемые  методы расчёта инструментальной погрешности  измерений при использовании  средств измерений данного типа в реальных условиях измерения.

По ГОСТ 8.009 предусмотрена следующая номенклатура метрологических характеристик:

1. Характеристики, предназначенные для определения  результатов измерения:

1.1. Функция  преобразования измеряемого преобразователя.

1.2. Значение  однозначной или многозначной  меры.

1.3. Цена  деления шкалы измерительного  прибора или многозначной меры.

1.4. Вид  входного кода или число разрядов, или цена единицы наименьшего  разряда, предназначенных для  выдачи результатов в цифровом  коде.

2. Характеристики  погрешностей средств измерений:

2.1. Значение  погрешности самого прибора.

2.2. Систематическая  составляющая.

2.3. Случайная  составляющая.

2.4. Вариация.

3. Характеристики  чувствительности средств измерения:

3.1. Функция  влияния.

3.2. Измерения  значения метрологических характеристик.

3.3. Измерение  самих влияющих величин в установленных  пределах.

4. Динамические  характеристики - отражают инерционные  свойства средства измерения  при воздействии на него меняющихся  во времени величин, таких как  параметры входного сигнала, влияющие  величины (внешние) и различные  нагрузки. По степени полноты  описания свойств средства измерения  динамические характеристики делятся  на:

4.1. Полные (Дифференциальное уравнение, описывающее  работу средств измерения, передаточная  функция, амплитудно-фазовые и  амплитудно-частотные характеристики  и их совокупность).

4.2. Частичные  (Отдельные параметры полных динамических  характеристик, время реакции,  коэффициент деформирования, значение  амплитудных характеристик на  определённой частоте, собственные  частоты).

6. Классы точности средств измерения

Класс точности даёт обобщённую метрологическую характеристику.

Классы  точности присваиваются средствам  измерения с учётом результатов  государственных приёмочных испытаний. Обозначение классов точности наносится  на циферблаты, щитки и корпуса  средств измерения, а также приводятся в нормативно-технической документации. Классы точности обозначаются заглавными буквами латинского алфавита или римскими цифрами. Обозначение классов точности осуществляется по ГОСТ 8.401 и может сопровождаться дополнительными условными знаками (например, 1.5, 0.6, 2.5). Приведённая погрешность для приборов составляет соответственно 1.5, 0.6, 2.5 % от нормируемого значения.

Виды  погрешности:

1. Абсолютная  погрешность (измеряется в тех  же единицах измерения, что  и измеряемая величина).

2. Относительная  погрешность.

3. Приведенная  погрешность (отношение абсолютной  погрешности к наибольшему значению  величины или длине шкалы).

Примеры:

(0.1)(0.2)(1.0) - приборы, у которых относительная  погрешность составляет соответственно 0.1, 0.2, 1.0 % непосредственно от полученного  значения измеряемой величины.

0.02/0.01 - приборы,  у которых измеряемая величина  не может отличаться от значения x, показанного прибором на величину, равную

[c + d(xk/x - 1)],

где c - числитель (0.02), d - знаменатель (0.01), а xk/x - предел измерений  прибора.

7. Проверка средств измерений

Под проверкой средства измерений понимают контроль его метрологической исправности (соответствие установленным требованиям) и (или) определение конкретных значений метрологических характеристик средства измерений (обычно диапазона и погрешности измерения).

Проверка различают первичные - при выпуске средства измерений из производства или ремонта, и периодические - осуществляемые через определенные промежутки времени.

Проверки  состоят из метода, средства и операции.

При этом под методом проверки понимают совокупность правил и приемов проведения проверки, а под средством проверки - технические средства (рабочие эталоны, образцовые средства измерений, аппаратура, устройства), необходимые для осуществления поверки. Операция поверки - отдельный самостоятельный этап, в результате, которого определяют фактическое значение метрологической характеристики (чаще всего погрешность измерения) поверяемого средства измерений.

Следующим видом контроля средств измерений  является метрологическая аттестация, представляющая исследование средства измерений, выполняемого метрологическими органами, для установления его соответствия своему назначению. На основании аттестации выдается официальный документ с указанием полученных данных.

Метрологический надзор - контроль за производством, состоянием, применением и ремонтом средств измерений. Проверка или аттестация средств измерения сводится к сличению рабочих средств измерений с эталоном или образцовыми средствами измерений на основе применяемые средства измерений различают государственные ведомственные и локальные поверочные схемы.

8. Государственный контроль за средствами измерений

Закон "Об обеспечении единства измерений" устанавливает следующие виды государственного метрологического контроля:

* утверждение  типа средств измерений;

* поверка  средств измерений, в том числе  эталонов;

* лицензирование  деятельности юридических и физических  лиц на право изготовления, ремонта,  продажи и проката средств  измерений. Государственный метрологический  контроль и надзор (ГМК и Н)  осуществляются только в сферах, установленных Законом. Поэтому  разрабатываемые, производимые, поступающие  по импорту и находящиеся в  эксплуатации средства измерений  делятся на две группы:

* предназначенные  для применения и применяемые  в сферах распространения ГМК  и Н. Эти средства измерений  признаются годными для применения  после их испытаний и утверждения  типа и последующих первичной  и периодической поверок;

* не предназначенные  для применения и не применяемые  в сферах распространения ГМК  и Н. За этими средствами  измерений надзор со стороны  государства (Госстандарта России) не проводится.

Юридические и физические лица -- владельцы такого рода средств измерений сами должны устанавливать систему поддержания  их в работоспособном состоянии (в соответствии с условиями эксплуатации и установленными требованиями), в  том числе в рамках Российской системы калибровки и добровольной сертификации средств измерений.

Данное  обстоятельство говорит об отмене деления  парка средств измерений на выпускаемые  серийно и единичными экземплярами, но если последние применяются в  сферах ГМК и Н, то они подлежат испытаниям (по сокращенной программе) с последующим утверждением типа.

Аналогом  регистрации на право поверки  выступает аккредитация метрологических  служб юридических лиц на право  поверки средств измерений.

Анализ  сфер распространения ГМК и З  показывает, что достаточно трудно разделить четко весь парк средств  измерений на две указанные группы. Так, ГМК и З распространяются на:

* здравоохранение,  ветеринарию, охрану окружающей  среды, обеспечение безопасности  труда; торговые операции и  взаимные расчеты; обеспечение  обороны государства;

* производство  продукции, поставляемой по контрактам  для государственных нужд в  соответствии с законодательством  Российской Федерации;

* испытания  и контроль качества продукции  в целях определения соответствия  обязательным требованиям государственных  стандартов Российской Федерации;  обязательную сертификацию продукции,  услуг и т.д.

* к защитным  устройствам, к характеристикам  детских игрушек, одежды и обуви,  к прочностным характеристикам  элементов изделий и т.п.;

* к уровню  и времени вредных воздействий  (уровню шума, вибрации, радиационных  и электромагнитных излучений,  допустимым нормам давления на  почву, величине предельно допустимых  выбросов и концентраций вредных  веществ и другим опасным и  вредным свойствам);

* к материалам, используемым при изготовлении  продукции (ограничений по химическому  составу, ограничений на допустимый  уровень содержания вредных и  опасных веществ, микробиологических  критериев безопасности, требований  к воздухонепроницаемости, гигроскопичности, электролизуемости и др.);

* к правилам  эксплуатации (применения) продукции,  ее технического обслуживания  и ремонта, невыполнение которых  может угрожать безопасности.

На основании  сказанного выше можно сделать вывод, что для всех сфер измерений, предназначенных  для серийного производства, целесообразно  проводить испытания с целью  утверждения типа. Надо также учесть, что пред приятию-изготовителю практически  неизвестно, где будут использоваться выпускаемые им средства измерений. Априори можно говорить о большой  вероятности применения их в тех  случаях, на которые распространяется государственный метрологический  контроль. В связи с чем предприятиям-изготовителям  целесообразно проводить первичную  поверку, если они имеют надлежащие условия.

Система испытаний и утверждения типа средств измерений (далее Система) включает: