Ефимова М.В. Метрология, стандартизация и сертификация

Подождите немного. Документ загружается.

римента данной физической величины с некоторым ее значением,

условно принятым за единицу измерения. Измерение никогда не

является заключительной частью какого-либо процесса деятельно-

сти. Измерения никогда не проводят ради самих измерений. Они

подчинены какой-то цели, которая и определяет значение и значи-

мость результата измерений, его точность.

По способу получения численного значения измеряемой ве-

личины все измерения делятся на прямые, косвенные, совокупные и

совместные.

Прямые – это измерения, при которых искомое значение вели-

чины находят непосредственно из опытных данных. Например, из-

мерение длины линейкой, электрического напряжения – вольтмет-

ром. Прямые измерения – основа более сложных видов измерений.

Косвенные – это измерения, при которых искомое значение ве-

личины находят на основании известной зависимости между этой

величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям (на-

пример, плотность тела определяют по результатам прямого измере-

ния массы и объема). Находить значение некоторых величин легче и

проще путем косвенных измерений, чем прямых. Причем косвенные

измерения позволяют получить значительно более точные результа-

ты, чем прямые измерения. Подавляющее большинство измерений в

производственной практике являются прямыми и косвенными.

Совокупные – это проводимые одновременно измерения не-

скольких одноименных величин, при которых искомые значения

величин находят решением системы уравнений, получаемых при

прямых измерениях различных сочетаний этих величин.

Совместные – это производимые одновременно измерения

двух или нескольких разноименных величин для нахождения зави-

симости между ними.

Совокупные и совместные измерения часто применяют в изме-

рениях различных параметров и характеристик в области электро-

техники.

С метрологической точки зрения, т. е. с точки зрения требо-

ваний, предъявляемых к точности, измерения делятся на точные и

технические.

Точные измерения выполняются многократно (путем повторе-

ния измерений в одних и тех же условиях можно исключить раз-

личные влияния на результаты измерений) с помощью образцовых

средств измерений повышенной точности. Такие измерения прово-

дятся в лабораторной и исследовательской практике.

Технические измерения широко применяются в производствен-

ных и лабораторных условиях и выполняются однократно с помо-

щью рабочих средств измерений, градуированных в соответствую-

щих единицах. К техническим измерениям относятся также опера-

тивный контроль и технологическая сигнализация (аварийная, пре-

дупредительная и др.).

По способу выражения результатов различают измерения аб-

солютные и относительные.

Абсолютные измерения – это такие измерения, которые основа-

ны на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и

использовании значений физических констант (сила тяжести F = mg,

где m (масса тела) может быть измерена прямым путем (взвешивани-

ем), а g (ускорение свободного падения) – физическая константа).

Относительные измерения – это отношения величины к одно-

именной величине, играющей роль единицы измерения, или изме-

нения величины по отношению к одноименной величине, прини-

маемой за исходную (измерение относительной влажности воздуха,

величины давления, вакуума и др.).

По характеру изменения измеряемой величины в процессе

измерения различают статистические, динамические и статические

измерения.

Статистические измерения связаны с определением характери-

стик случайных процессов, звуковых сигналов, уровня шумов и т. д.

Динамические измерения связаны с такими величинами, кото-

рые в процессе измерений претерпевают изменения (процесс повы-

шения температуры и давления в автоклаве при стерилизации).

Статические измерения применяются в тех случаях, когда из-

меряемая величина практически постоянна.

Информация о значениях измеряемых величин называется из-

мерительной информацией.

Разнообразие технологий в отраслях пищевых производств

диктует необходимость получения измерительной информации о

большом количестве физико-химических величин и технологиче-

ских параметров, которые подразделяют на 5 основных групп:

– теплоэнергетические (температура, давление, перепад дав-

лений, расход, уровень и т. д.);

– электроэнергетические (ток, напряжение, коэффициент

мощности, мощность, частота, индукция и т. д.);

– механические (линейные, угловые размеры, угловая ско-

рость, масса, усилие, крутящие моменты, количество изделий и т. д.);

– по химическому составу (концентрация, состав, химические

свойства);

– по физическим свойствам (плотность, вязкость, мутность,

влажность).

Этот перечень непрерывно расширяется и дополняется, так как

широкое внедрение и развитие автоматизированных систем управ-

ления технологическими процессами постоянно выдвигает необхо-

димость измерения соответствующих новых величин.

1.5. Методы измерений

Одну и ту же физическую величину можно измерить несколь-

кими методами, которые могут различаться особенностями как тех-

нологического, так и методического характера.

Метод измерения – это совокупность приемов использования

принципов и средств измерений. Не следует путать понятие «ме-

тод» с понятием «методика измерения».

Методика измерения – это последовательность действий, тех-

нология их осуществления, необходимые для получения результа-

тов измерения.

Принцип измерений – это совокупность физических явлений,

на которых основаны измерения (например, измерение температуры

с использованием термоэлектрического эффекта).

В современной метрологии используются два основных ме-

тода измерений: метод непосредственной оценки и метод срав-

нения с мерой.

Метод непосредственной оценки – это метод измерений, при

котором значение измеряемой величины Х определяют непосредст-

венно по отсчетному устройству измерительного прибора. При этом

значение величины определяется без каких-либо дополнительных

действий или вычислений. Точность такого измерения, как правило,

бывает ограниченной.

Наиболее распространенной группой приборов, служащих для

измерения методом непосредственной оценки, являются показы-

вающие приборы, в том числе стрелочные: манометры, амперметры,

расходомеры, жидкостные термометры и др.

Метод сравнения с мерой – это метод измерений, при котором

измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой

мерой (определение массы на чашечных весах с помощью гири).

Однако для многих измеряемых величин не существует меры (на-

пример, не существует меры температуры или меры давления), по-

этому в технической литературе довольно часто метод сравнения с

мерой называют методом уравновешивающего преобразования. Для

реализации метода сравнения с мерой необходимо предварительно

преобразовать измеряемую величину в другую физическую величи-

ну, для которой существует мера. Например, давление и температу-

ру преобразуют в длину (высоту) столбика ртути, а для длины мера

существует.

1.6. Средства измерений

Для практического измерения единицы величины применяются

технические средства, имеющие нормированные метрологические

характеристики (погрешности). Такие средства называют средст-

вами измерений (СИ).

Основными видами средств измерений являются меры, измери-

тельные преобразователи, измерительные приборы, измерительные

установки и измерительные системы, а также измерительные при-

надлежности.

Мера – это средство измерений, предназначенное для воспро-

изведения физической величины заданного размера (например, гиря –

мера массы). В практике измерений используют однозначные и

многозначные меры, а также наборы мер и магазины мер. Одно-

значные меры воспроизводят величины только одного размера (ги-

ря). К однозначным мерам относят стандартные образцы и стан-

дартные вещества. Стандартный образец – это должным образом

оформленная проба материала, которая подвергается метрологиче-

ской аттестации с целью установления количественного значения

определенного свойства (наборы минералов с конкретным значени-

ем твердости). Многозначные меры воспроизводят несколько разме-

ров (миллиметровая линейка). Наборы и магазины мер представля-

ют собой сочетание однозначных и многозначных мер для

получения возможности воспроизведения некоторых промежуточ-

ных или суммарных значений величины. Набор мер – это комплект

однородных мер разного размера, что дает возможность применять

их в нужных сочетаниях (набор лабораторных гирь). Магазин мер –

это сочетание мер, объединенных конструктивно в одно механиче-

ское целое, в котором предусмотрена возможность посредством

ручных или автоматизированных переключателей, связанных с от-

счетным устройством, соединять составляющие магазин меры в

нужном сочетании (магазины электрических сопротивлений).

Измерительный преобразователь – это средство измерений,

предназначенное для выработки сигнала измерительной информа-

ции в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования,

обработки и хранения, но не поддающейся непосредственному вос-

приятию наблюдателем.

Измерительный прибор – это средство измерений, предназна-

ченное для выработки сигнала измерительной информации в форме,

доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. К из-

мерительному прибору подводится физическая величина, чаще все-

го предварительно преобразованная, воздействующая на него тем

или иным способом. Различают измерительные приборы прямого

действия и приборы сравнения. Приборы прямого действия отобра-

жают измеряемую величину на показывающем устройстве, имею-

щем соответствующую градуировку в единицах этой величины (ам-

перметры, вольтметры, термометры и т. п.). Приборы сравнения

предназначаются для сравнения измеряемых величин с величинами,

значения которых известны (приборы для измерения яркости источ-

ников излучения, давления сжатого воздуха и т. д.).

На основании полученной от измерительных приборов инфор-

мации оператор оценивает состояние объекта управления в целом,

судит об отклонениях параметров процесса от заданных значений,

может прогнозировать развитие ситуации в объекте и контролиро-

вать результаты управляющих воздействий.

Традиционными формами представления информации об изме-

ряемых величинах при реализации задач контроля и управления

технологическими процессами являются сигнализация, показания,

регистрация, представление информации на экранах дисплеев (ал-

фавитная, цифровая, графическая).

По способу представления информации измерительные при-

боры делятся на показывающие, регистрирующие, показывающие и

регистрирующие.

К показывающим приборам относятся такие приборы, которые

имеют шкалу показаний или цифровой индикатор (например, мил-

ливольтметры, логометры, манометры и т. д.).

Регистрирующие (самопишущие) приборы снабжены специ-

альными механизмами и устройствами для регистрации результатов

измерений (например, термограф, широко применяемый для кон-

троля процессов стерилизации в консервной промышленности).

Измерительная установка – это совокупность функционально

объединенных средств измерений (мер, преобразователей, приборов) и

вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами свя-

зи, которая предназначена для выработки информации в форме, удоб-

ной для автоматической обработки, передачи и использования в авто-

матизированных системах управления технологическими процессами.

Измерительные принадлежности – это вспомогательные

средства измерений величин. Они необходимы для вычисления по-

правок к результатам измерений.

Конструктивные особенности и технические характеристики

средства измерения определяются его принципом действия. Прин-

цип действия средства измерения – это физический принцип, по-

ложенный в основу построения средства измерения данного типа.

Принцип действия часто бывает отражен в названии средства изме-

рения (например, термоэлектрический термометр, термокондукто-

метрический газоанализатор, ультразвуковой уровнемер, инфра-

красный спектрофотометр и др.).

По метрологическому признаку средства измерения подразде-

ляются на образцовые, рабочие и эталоны.

Образцовые средства измерений предназначены для поверки

(определения погрешностей средства измерений и установления его

пригодности к применению) других средств измерений – как рабо-

чих, так и образцовых – менее высокой точности.

Рабочие средства измерений (лабораторные, производствен-

ные и полевые) применяются для измерения физических величин в

лабораторных, производственных и полевых (для самолетов, автомо-

билей, судов) условиях. Лабораторные СИ – самые точные и чувстви-

тельные, их показания характеризуются высокой стабильностью. Про-

изводственные СИ обладают устойчивостью к воздействиям

различных факторов производственного процесса (температуры, влаж-

ности, вибрации и т. п.), что может сказаться на достоверности и точ-

ности показаний приборов. Полевые СИ работают в условиях, посто-

янно изменяющихся в широких пределах внешних воздействий.

Эталон – это высокоточная мера, предназначенная для воспро-

изведения и хранения единицы величины с целью передачи ее раз-

мера другим СИ. От эталона единица величины передается разряд-

ным эталонам, а от них – рабочим СИ. Эталоны классифицируют на

первичные, вторичные и рабочие.

Первичный эталон – это такой эталон, который воспроизводит

единицу физической величины с наивысшей точностью, возможной

в данной области измерений на современном уровне научно-

технических достижений. Первичный эталон может быть государст-

венным и международным.

Вторичные эталоны (эталоны-копии) могут утверждаться либо

Госстандартом РФ, либо государственными научными метрологи-

ческими центрами, что связано с особенностями их использования.

Рабочие эталоны воспринимают размер единицы от вторичных

эталонов и служат для передачи размера менее точному рабочему

эталону (или эталону более низкого разряда) и рабочим СИ.

Самыми первыми официально утвержденными эталонами были

прототипы метра и килограмма, изготовленные во Франции в 1799 г.

В государственной системе промышленных приборов и средств

автоматизации выделяют структуру средств локального контроля.

Средства локального контроля и автоматизации предназна-

чены для управления сравнительно несложными объектами и тех-

нологическими процессами (когда число контролируемых парамет-

ров не более 20–30), а также для автономного применения в составе

автоматизированных систем управления технологическими процес-

сами (АСУ ТП).

Отличительная особенность средств локального контроля – это

совмещение в одном устройстве нескольких типов функций: пока-

зание и (или) регистрация измеряемой величины, формирование

стандартных законов регулирования, сигнализация отклонения из-

меряемых величин от заданного значения.

Средства приборного типа могут применяться для индикации,

регистрации, сигнализации и регулирования любых величин, значе-

ния которых предварительно преобразованы в соответствующие

унифицированные сигналы.

Регуляторы прямого действия автономны (не требуют вспомо-

гательных источников питания), надежны (имеют незначительное

количество элементов), просты в эксплуатации, монтаже и ремонте.

1.7. Метрологические характеристики средств измерений

Одна из главных задач метрологии – обеспечение единства из-

мерений. Эта задача может быть решена при соблюдении двух ус-

ловий:

– выражение результатов измерений в единых узаконенных

единицах;

– установление допустимых ошибок результатов измерений и

пределов, за которые они не должны выходить при заданной веро-

ятности.

Свойства средств измерений, оказывающие влияние на резуль-

таты и погрешности измерений, нормируются их метрологическими

характеристиками. Номенклатура метрологических характеристик

средств измерений, способы их нормирования и формы представле-

ния устанавливаются соответствующими стандартами государст-

венной системы обеспечения единства измерений.

Основными метрологическими характеристиками измерений

являются их погрешности.

Погрешность измерения – это отклонение результата измере-

ния от истинного значения измеряемой величины.

Практически истинное значение величины определить невоз-

можно и поэтому его заменяют действительным значением, которое

настолько близко к истинному, что может быть принято вместо не-

го. Действительное значение, как правило, определяется с помощью

более точного средства измерений, причем с непрерывным развити-

ем техники измерений разность между действительным и истинным

значениями уменьшается.

Единство измерений не может быть обеспечено лишь совпаде-

нием погрешностей. Требуется еще и достоверность измерений,

которая говорит о том, что погрешность не выходит за пределы от-

клонений, заданных в соответствии с поставленной целью измере-

ний. Применяют также понятие точности измерений, которое харак-

теризует степень приближения погрешности измерений к нулю, т. е.

приближения полученного при измерении значения к истинному

значению измеряемой величины.

Погрешность измерительного прибора – это алгебраическая

разность между показанием прибора и действительным значением

измеряемой величины (определенным более точным методом). По-

грешности измерительных приборов отражают несовершенство их

конструкции, материалов и технологии изготовления, погрешности

градуировки.

Погрешность меры – это алгебраическая разность между но-

минальным и действительным значениями меры. Номинальное зна-

чение меры – это значение данной физической величины, обозна-

ченное на мере или на ее футляре. Действительное значение меры

должно быть указано в специальном свидетельстве как результат

высокоточного измерения с использованием официального эталона.

Основная погрешность – это погрешность, определенная при

нормальных условиях (при температуре 20ºС, атмосферном давле-

нии 760 мм рт. ст., относительной влажности воздуха до 80%).

По форме представления численного значения погрешности

измерений подразделяются на абсолютные и относительные.

Абсолютные погрешности выражаются в единицах измеряемой

величины и определяются по формуле

ХХХ

изм

−

где Х

изм

– значение, полученное при измерении;

Х – истинное значение.

Но поскольку значение Х остается неизвестным, то на практике

можно найти лишь приблизительную оценку погрешности.

Относительная погрешность представляет собой отношение

абсолютной погрешности к истинному значению и выражается в

процентах.

По характеру и причинам появления погрешности измерений

делятся на систематические, случайные и грубые.

Систематическая погрешность – это погрешность, остающая-

ся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных из-

мерениях одной и той же величины. Она не зависит от числа изме-

рений. Ее трудно обнаружить, но можно легко устранить путем

введения поправки (например, взвешивание в чашке или миске).

Систематические погрешности могут отсутствовать вообще или

быть пренебрежимо малыми. В зависимости от причин возникнове-

ния систематические погрешности делятся на инструментальные,

погрешности от неправильной установки средства измерений, по-

грешности вследствие внешних влияний, погрешности метода изме-

рения, субъективные погрешности оператора.

Причина инструментальных погрешностей заключается в осо-

бенностях конструкции или свойств самих средств измерений. Та-

кие погрешности, как правило, указываются в технической характе-

ристике средства измерений.

Погрешность метода измерений возникает вследствие ряда до-

пущений или упрощений при применении эмпирических формул и

функциональных зависимостей.

Систематические погрешности искажают результат измерения.

Они являются основной причиной неудовлетворительной работы

системы автоматизированного контроля технологических процессов

и, следовательно, причиной брака продукции.

Случайная погрешность – это погрешность, изменяющаяся слу-

чайным образом при повторных измерениях одной и той же величи-

ны. Случайные погрешности вызываются причинами, которые не

могут быть выявлены при измерениях и на которые нельзя оказать

влияния или исключить их вообще. Их можно обнаружить лишь при

проведении (с одинаковой тщательностью и в одинаковых условиях)

повторных измерений одной и той же постоянной величины. При

этом погрешность выявится в виде некоторого разброса параметров.

Случайные погрешности не постоянны по значению и по знаку,

их частные значения не могут быть предсказаны.

Грубая погрешность, или промах – это погрешность измерения,

существенно превышающая ожидаемую в данных условиях измере-

ния. Причинами возникновения таких погрешностей могут являться

внезапные и кратковременные изменения условий измерений или

оставшиеся незамеченными неисправности в средстве измерений.

Промахи оператора возникают при неправильном отсчете по шкале,

неправильной записи результата измерения, ошибках при манипу-

ляции с прибором или его элементом. Промахи особенно опасны

при однократных измерениях в условиях производства.

Погрешности результатов измерения физической величины дают

представление о том, какие цифры в его числовом значении являются

сомнительными. Поэтому не имеет смысла выражать погрешность

результата измерения большим числом цифр. Достаточно ограни-

читься одной или двумя значащими цифрами, если вторая является

цифрой 5. Две значащие цифры удерживаются в числовых значениях

погрешности только при ответственных и точных измерениях.

Числовое значение результатов измерения должно оканчивать-

ся цифрой того же разряда, что и значение погрешности.

Правила округления:

1. Лишние цифры в целых числах заменяются нулями, а в деся-

тичных дробях отбрасываются (результат 1,070000, погрешность

0,001; результат округляют до 1,070).

2. Если первая (слева направо) из заменяемых нулями и отбра-

сываемых цифр меньше 5, остающиеся цифры не изменяются

(148 935 округляют до 148 900).

3. Если первая из заменяемых нулями или отбрасываемых цифр

равна 5, а за ней не следует никаких цифр или идут нули, то округ-

ляют до ближайшего четного числа. Иными словами, если послед-

няя цифра в округляемом числе четная или равна нулю, то она оста-

ется без изменения; если же она нечетная, то увеличивается на

единицу (1 234,50 округляют до 1 234; 8 765,50 – до 8 766;

43 210,500 – до 43 210).

4. Если первая из заменяемых нулями или отбрасываемых цифр

больше 5, но за ней следует значащая цифра, то последняя остаю-

щаяся цифра увеличивается на 1 (6 783,6 округляют до 6 784;

5 499,7 – до 5 500; 12,34501 – до 12,35).

5. Если первая из заменяемых нулями или отбрасываемых

цифр больше или равна 5, то последняя остающаяся цифра уве-

личивается на 1.

1.8. Поверка средств измерений

Поверка средства измерений – это совокупность действий,

выполняемых для определения или оценки погрешностей средства

измерений. Цель поверки состоит в том, чтобы выяснить, соответ-

ствуют ли точностные характеристики средства измерений регла-