Коловский Ю В. Метрология, стандартизации и технические измерения

Подождите немного. Документ загружается.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Сибирский федеральный университет»

Ю. В. Коловский

МЕТРОЛОГИЯ СТАНДАРТИЗАЦИЯ

И ТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Версия 1.0

Конспект лекций

Красноярск

СФУ

2007

УДК 389(075)

Рецензенты:

Коловский Ю. В.

К Метрология, стандартизации и технические измерения. Версия 1.0. [Электрон-

ный ресурс]: конспект лекций; Ю. В. Коловский, / Электрон. дан (объем 12 Мб). СФУ

Красноярск: 2007 – 70 с. 1 электрон. опт. диск (CD-ROM).

ISBN

Рассматриваются исходные положения теории измерений, сведения о свойствах и источ-

никах погрешностей, Рассмотрены отдельные положения прикладной статистики, регламенти-

рованные в нормативной документации и используемые для оценки погрешностей измерения; ме-

тодики определения показателей точности прямых, косвенных, совместных и совокупных изме-

рений. Изложение сопровождается примерами расчета показателей точности. Приводятся

практические рекомендации по разработке

различных нормативных документов.

Рекомендуется студентам изучающим вопросы метрологии и стандартизации.

УДК 389(07)

ISBN

©СФУ, 2007

©Ю. В. Коловский, 2007

Редактор А. А. Гетьман

Все права на размножение и распространение в любой форме остаются за разработчиками. Нелегальное

копирование и использование данного продукта запрещается.

Подп. к использованию

Сибирский федеральный университет 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79

Лекция 1.

Тема 1.История метрологии.

План лекции:

 Структура курса, его цели и задачи в общей системе подготовки

специалистов.

 Определение понятия качества продукции, методы оценивания

качества.

 Системный подход к проблеме обеспечения качества на различ-

ных этапах разработки, изготовления и эксплуатации РЭС, ЭВС.

 Роль стандартизации, метрологии и измерительной техники

решении проблемы повышения эффективности производства и

управления качеством.

 Измерительная информация как основной источник достоверной

количественной информации, необходимой для управления про-

изводственными процессами и принятия решения.

 Понятие измерительного преобразования.

 Общность процедур получения измерительной информации и

особенности ее использования для целей измерения, контроля,

испытаний, диагностирования, управления.

 Понятие метрологического

обеспечения производства и его место

в деятельности радиоинженера-конструктора-технолога, бакалав-

ра.

Метрология - это специфическая деятельность людей, главной целью

которой является получение достоверной, научно обоснованной информации

о реальности.

Информация - главный продукт метрологической деятельности, но не

единственный. К основным проблемам метрологии относятся: её законода-

тельная ветвь (стандартизация и сертификация) распространяемая на все

сферы деятельности людей; собственно, метрологическое обеспечение тре-

бующее создания и эффективного использования

различные средства изме-

рения - приборов, установок; методик выполнения измерения, применяемых,

прежде всего в производстве.

Хотя метрология ориентирована на получение истинной (действитель-

ной) информации о реальности, метрология и истина не тождественны. Ис-

тинное знание может быть и ненаучным, всегда сочетает в себе количествен-

ные и качественные показатели. Оно может быть получено

в самых разных

сферах деятельности людей: в обыденной жизни, экономике, политике, ис-

кусстве, в инженерном деле. В отличие от метрологии, получение знания о

реальности не является главной, определяющей целью этих сфер деятельно-

сти (в искусстве, например, такой главной целью являются новые художест-

венные ценности, в инженерном деле - технологии, изобретения, в экономике

- эффективность и т.д.).

Важно отметить, что определение "ненаучный" не предполагает нега-

тивную оценку. Метрологическая деятельность специфична. Другие сферы

деятельности человека - обыденная жизнь, искусство, экономика, политика и

др. - имеют каждая свое предназначение, свои цели. Роль метрологии в жизни

общества растет, но метрологическое обеспечение не всегда и не везде воз-

можно

и уместно.

Метрология не признает паранаучные концепции - астрологию, пара-

психологию, уфологию и т.п. Она не признает эти концепции не потому, что

не хочет, а потому, что не может, поскольку, один из постулатов метрологии

гласит «измерение возможно, если истинное значение измеряемой величины

существует». А никаких достоверных, точно установленных фактов в

таких

концепциях нет. Возможны случайные совпадения.

Каковы же критерии метрологического обеспечения, его характерные

признаки?

Одним из важных отличительных качеств метрологического обеспече-

ния является его систематизированность. Метрологическая же систематиза-

ция специфична. Для нее свойственно стремление к полноте, непротиворечи-

вости, четким основаниям систематизации. Метрологическая информация

как система имеет определенную структуру, элементами которой являются

факты, законы, теории, картины мира. Отдельные области метрологии взаи-

мосвязаны и взаимозависимы.

Стремление к обоснованности, доказательности метрологической ин-

формации является важнейшим критерием.

Обоснование результатов метрологической деятельности, приведение

их в единую систему всегда было характерным для метрологии. Со стремле-

нием к единству измерений, связывают само возникновение метрологии. Для

обоснования измерительной информации применяются

многократные про-

верки, обращение к статистическим данным и т.п. При обосновании созда-

ваемых методик выполнения измерений (МВИ) проверяется их непротиворе-

чивость, соответствие эмпирическим данным, возможность описывать и

предсказывать явления.

В метрологии ориентация на новации сочетается со стремлением эли-

минировать из результатов измерения все субъективное. В этом - одно из от-

личий метрологии от искусства. Если бы художник не создал своего творе-

ния, то его бы просто не было. Но если метролог, пусть даже выдающийся, не

разработал МВИ или средство измерения, то они все равно были бы созданы,

потому что представляют собой необходимый этап развития метрологии, яв-

ляются интерсубъективными.

Хотя метрологическая деятельность

специфична, в ней применяются

приемы рассуждений, используемые людьми в других сферах деятельности, в

обыденной жизни. Для любого вида человеческой деятельности характерны:

индукция и дедукция, анализ и синтез, абстрагирование и обобщение, идеа-

лизация, аналогия, описание, объяснение, предсказание, гипотеза, подтвер-

ждение, опровержение и пр.

Основными методами получения метрологической информации явля-

ются наблюдение

и эксперимент. Наблюдение - это такой метод измерения,

при котором главное - не вносить при исследовании самим процессом на-

блюдения какие-либо изменения в изучаемую реальность.

В отличие от наблюдения, в рамках эксперимента изучаемое явление

ставится в особые условия. Как писал Ф.Бэкон, "природа вещей лучше обна-

руживает себя в состоянии искусственной стесненности

, чем в естественной

свободе".

Задачи метрологии никак не сводятся к сбору измерительной информа-

ции в виде экспериментального материала. Математический эксперимент -

это современная разновидность МВИ, при котором возможные последствия

варьирования условий в математической модели просчитываются на компь-

ютерах. В ходе эксперимента, порой, метролог как бы проигрывает возмож-

ные варианты поведения используемых

им при измерении средств и методов.

Говоря о средствах и путях развития метрологии, необходимо отме-

тить, что важнейшим из них является язык метрологии.

Галилей утверждал, что книга Природы написана языком математики.

Развитие науки об измерениях полностью подтверждает эти слова Галилея. В

метро-логии процесс математизации идет очень активно. Математика орга-

нично входит в ткань теоретических построений метрологии

Ход научного познания существенно зависит от развития используе-

мых метрологией средств извлечения первичной измерительной информа-

ции. Использование подзорной трубы Галилеем, а потом - создание телеско-

пов, радиотелескопов во многом определило развитие астрономии. Примене-

ние микроскопов, особенно электронных, сыграло огромную роль в развитии

биологии. Без таких информационно-измерительных средств, как синхрофа-

зотроны,

невозможно развитие современной физики элементарных частиц.

Применение компьютера революционизирует развитие метрологии.

Методы и средства, используемые в разных областях метрологии, не

одинаковы. Различия методов и средств, определяются и спецификой пред-

метных областей, и уровнем развития метрологии. Однако в целом происхо-

дит постоянное взаимопроникновение используемых метрологией методов и

средств. Аппарат математики применяется все

шире. По выражению

Ю.Винера, "невероятная эффективность математики" делает ее важным сред-

ством познания во всех сферах деятельности человека, в том числе и в метро-

логии. Однако вряд ли следует в будущем ожидать полной универсализации

методов и средств, используемых в метрологии.

Метрология порой представляется как сфера почти непрерывного

творчества, постоянного

стремления к новому. Однако в современной мето-

дологии метрологии четко осознано, что метрологическая деятельность

должна опираться на ранее сформулированные нормы и правила.

Традиция является не тормозом, а наоборот, необходимым условием

быстрого накопления научных информации. "Нормальная метрология" раз-

вивается не вопреки традициям, а именно в силу своей традиционности. Тра-

диция организует любое

сообщество, порождает "индустрию" производства

информации.

Содержание и построение учебного пособия определено, исходя из не-

обходимости формирование и развитие компетенций у обучаемых в сфере

метрологии, измерительной техники стандартизации и сертификации. Без со-

ответствующих знаний и навыков не возможно, с позиции системного под-

хода к проблеме обеспечения качества на различных этапах разработки,

изго-

товления и эксплуатации электронных средств, решение проблемы повыше-

ния технического уровня продукции.

В рамках данной дисциплины стоят задачи: сформировать понимание

целей и содержания деятельности специалиста по метрологическому обеспе-

чению производства электронной техники и технологий; дать знание метро-

логии, как науки об измерениях, методах и средствах обеспечения их единст-

ва и способах достижения требуемой точности в объеме, достаточном для

квалифицированного решения основных задач измерительного

эксперимента,

включая получение достоверной и точной измерительной информации для

последующего использования в системах измерительного контроля, техниче-

ского диагностирования и управления.

В нашей стране ежедневно выполняется свыше 30 млрд. различных из-

мерений. Затраты на обеспечение и проведение измерений, в целом, состав-

ляют около 25%, для машиностроения данный показатель возрастает до 40%,

а для радио-

микро- и наноэлектроники превышает 70% всех затрат на произ-

водство продукции.

Для успешной реализации законов РФ «О защите прав потребителей»,

«О стандартизации», «О сертификации продукции и услуг», «Об энергосбе-

режении» и т. д. необходимо использование достоверной и сопоставимой

метрологической информации.

Эффективное сотрудничество с другими странами, совместные разра-

ботки научно-технических программ,

дальнейшее развитие торговых отно-

шений требуют взаимного доверия к измерительной информации, являющей-

ся, по существу, основным объектом обмена при совместном решении науч-

но-технических проблем, основой взаимных расчетов при торговых операци-

ях, заключении контрактов на поставку материалов, изделий и оборудова-

ния. Создание единого подхода к измерительной информации гарантирует

взаимопонимание, возможность унификации

и стандартизации методов и

средств измерений и испытаний продукции в международной системе това-

рообмена.

Методики выполнения измерений как метрологический объект появи-

лись в 1972 г. Объективными причинами появления МВИ в метрологической

деятельности явились сформулированные в то время принципы обеспечения

единства измерений: результаты измерений должны быть выражены в узако-

ненных единицах и

должна быть известна погрешность измерений. Для реа-

лизации этих принципов в тот период были разработаны и стали внедряться

основные положения Государственной системы обеспечения единства изме-

рений (ГСИ). Для реализации этих принципов и внедрения положений ГСИ

оказалось недостаточно иметь средства измерений, метрологические харак-

теристики которых удовлетворяют установленным требованиям. Это объяс-

няется тем

, что погрешность многих измерений зависит не только от метро-

логических характеристик средств измерений, но и от других причин, кото-

рые определяются методом и процедурой измерений (погрешность метода,

погрешности, возникающие при отборе и приготовлении пробы, личностные

погрешности, условия измерений и другие при-чины). Накопленный опыт

измерительной информации показывает, что основная доля потери точности

при измерениях происходит в основном не за счет погрешностей применяе-

мых средств измерений, а в первую очередь за счет несовершенства методик

выполнения измерений. Средства измерений сами

по себе не могут в полной

мере обеспечить требуемую точность измерений и достоверность их резуль-

татов, если не будут учтены погрешности измерений за счет влияющих на

измерения факторов, служащих источниками погрешностей.

В результате работ в этой области появились стандарты и методиче-

ские документы на МВИ, началась аттестация МВИ. Эти работы

нашли от-

ражение в отраслевых программах метрологического обеспечения.

МВИ объединяют основные компоненты системы обеспечения единст-

ва измерений (измеряемая величина, единицы величин, метод измерений,

метрологические характеристики средств измерений, форма и вид представ-

ления результатов измерений и др.). Поэтому разработка и внедрение совре-

менных МВИ существенно влияют на развитие эталонной базы и систем

пе-

редачи размеров единиц от эталонов всем средствам измерений.

За 25 лет со времени появления МВИ было разработано большое коли-

чество документов на МВИ, входящих в ГСИ, соответствующих ведомствен-

ных документов и документов предприятий. Однако масштабы разработки и

применения МВИ пока не соответствуют их значению в обеспечении единст-

ва измерений в

стране.

Новый импульс метрологической деятельности в области МВИ дал

принятый в 1993 году Закон Российской Федерации «Об обеспечении един-

ства измерений». В этом Законе установлены требования к МВИ, применяе-

мым в сферах распространения государственного метрологического контроля

и надзора, а также положения государственного метрологического надзора за

МВИ, функции государственной метрологической службы и метрологиче

ских служб юридических лиц.

Следует отметить, что в странах СНГ законодательство в области мет-

рологии в части требований к МВИ и средствам измерений, применяемых в

сферах распространения государственного метрологического контроля и над-

зора, существенно отличается от Закона Российской Федерации «Об обеспе-

чении единства измерений».

Эти обстоятельства определили необходимость разработки государст-

венного стандарта Российской Федерации ГОСТ Р 8.563–96 «ГСИ. Методики

выполнения измерений», который введен в действие с 1 июля 1997 года.

Настоящее учебное пособие предназначено для самостоятельного и

достаточно углубленного изучения основ метрологии, стандартизации и сер-

тификации, изложенных/ соответственно/ в четырех главах. Пособие дает

также необходимые знания для понимания основных положений и процедур

разработки и подготовки к аттестации МВИ, изложенных в ГОСТ Р 8.563–

96 и других нормативных и методических документах, относящихся к МВИ.

Пособие предназначено для студентов и инженеров радиотехнических,

электротехнических и других специальностей, изучающих метрологию, стан-

дартизацию и сертификацию, разрабатывающих и проводящих измерения

параметров технических устройств в ходе выполнения контрольных, курсо-

вых, дипломных, научно-исследовательских и других работ.

Пособие основано на положениях современных нормативных и мето-

дических документов, перечень которых приводится как в процессе изложе-

ния материала, так и в конце данного пособия. В нем подобраны вопросы

ответы на которые дают представление об усвоении конкретного учебного

материала.

Измерения являются одним из важнейших путей познания природы

человеком. Они дают количественную характеристику окружающего мира,

раскрывая действующие в природе закономерности. Ни одна отрасль техники

не могла бы существовать без развернутой системы измерений, определяю-

щих как все технологические процессы, контроль и

управление ими, так и

свойства и качество выпускаемой продукций.

Особенно велико значение измерений в современном обществе. Они

служат не только основой научно-технических знаний, но имеют первосте-

пенное значение для учета материальных ресурсов и планирования, внутрен-

ней и внешней торговли, обеспечения качества продукции, взаимозаменяемо-

сти узлов и деталей, совершенствования технологий, а

также безопасности

труда и других видов человеческой деятельности.

Особенно возросла роль измерений в век широкого внедрения новой

техники, развития электроники, автоматизации, атомной энергетики, косми-

ческих полетов. Высокая точность управления полетами космических аппа-

ратов достигнута благодаря современным совершенным средствам измере-

ний, устанавливаемым как на самих космических аппаратах, так и в измери-

тельно-управляющих центрах.

Большое разнообразие явлений, с которыми приходится сталкиваться,

определяет широкий круг величин, подлежащих измерению. Во всех случаях

проведения измерений, независимо от измеряемой величины, метода и

средств измерений, есть общее, что составляет основу измерений ─ это срав-

нение опытным путем данной величины с другой подобной ей, принятой за

единицу. При

всяком измерении мы с помощью эксперимента оцениваем фи-

зическую величину в виде некоторого числа принятых для нее единиц, т. е.

находим ее значение.

В настоящее время установлено следующее определение измерения:

измерение есть нахождение значения физической величины опытным путем с

помощью специальных технических средств.

Наука, изучающая измерения, называется метрологией. Слово «метро-

логия» образовано из двух греческих: метрон ─ мера и логос ─ учение. До-

словный перевод слова «метрология» ─ учение о мерах. Долгое время метро

логия оставалась в основном описательной наукой о различных мерах и со-

отношениях между ними. С конца девятнадцатого века, благодаря развитию

физических наук, метрология получила существенное развитие. Большую

роль в становлении современной метрологии как одной из наук физиче-

ского цикла сыграл Д. И. Менделеев, руководивший отечественной метро-

логией в период 1892 ─ 1907

гг.

Метрология в ее современном понимании ─ наука об измерениях, ме-

тодах измерений, средствах обеспечения их единства и способах достижения

требуемой точности.

Единство измерений ─ такое состояние измерений, при котором их ре-

зультаты выражены в узаконенных единицах и погрешности измерений из-

вестны с заданной вероятностью. Единство измерений необходимо для того,

чтобы

можно было сопоставить результаты измерений, выполненных в раз-

ных местах, в разное время, с использованием разных методов и средств из-

мерений. Точность измерений характеризуется близостью их результатов к

истинному значению измеряемой величины.

Таким образом, важнейшими задачами метрологии являются усовер-

шенствование эталонов, разработка новых методов точных измерений, обес-

печение единства и

необходимой точности измерений.

Вопросы к лекции:

1. Определение понятия качества продукции, методы оценивания качест-

ва.

2. Системный подход к проблеме обеспечения качества на различных

этапах разработки, изготовления и эксплуатации РЭС, ЭВС.

3. Роль стандартизации, метрологии и измерительной техники в решении

проблемы повышения эффективности производства и управления каче-

ством.

4. Измерительная

информация как основной источник достоверной коли-

чественной информации, необходимой для управления производствен-

ными процессами и принятия решения.

5. Понятие измерительного преобразования.