Кривенков А.В. Управление качеством

Подождите немного. Документ загружается.

ГЛАВА 3.2. СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

3.2.1. Виды средств измерений

Для практического измерения единиц физических величин применяются

технические средства, которые имеют нормированные погрешности и

называются средствами измерений. К средствам измерений относятся: меры,

измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные

установки и системы, измерительные принадлежности.

Мерой называют средство измерения, предназначенное для

воспроизведения физических величин заданного размера. К данному виду

средств измерений относятся гири, концевые

меры длины и т.п. На практике

используют однозначные и многозначные меры, а также наборы и магазины

мер. Однозначные меры воспроизводят величины только одного размера (гиря).

Многозначные меры воспроизводят несколько размеров физической величины.

Например, миллиметровая линейка даёт возможность выразить длину предмета

в сантиметрах и в миллиметрах.

Наборы и магазины представляют

собой объединения однозначных или

многозначных мер для получения возможности воспроизведения некоторых

промежуточных значений величин. Набор мер представляет собой комплект

однородных мер разного размера, что даёт возможность применять их в

различных сочетаниях. Например, набор лабораторных гирь.

Магазин мер – сочетание мер, объединённых конструктивно в одно

механическое целое, в котором предусмотрена возможность посредством

ручных

или автоматизированных переключателей, связанных с отсчётным

устройством, соединять соответствующие магазины мер в нужном сочетании.

По такому принципу устроены магазины электрических сопротивлений.

К однозначным мерам относят стандартные образцы и стандартные

вещества. Стандартный образец – это должным образом оформленная проба

вещества (материала), которая подвергается метрологической аттестации с

целью установления количественного значения определённой характеристики.

Эта характеристика (свойство) является величиной с известным значением при

установленных условиях внешней среды. К подобным образцам относятся,

например, наборы минералов с конкретными значениями твёрдости (шкала

Мооса) для определения этого параметра из различных минералов.

Стандартным образцом является образец чистого цинка, который служит

для воспроизведения температуры 419,527 градусов Цельсия по

международной температурной шкале МТШ

-90.

При пользовании мерами следует учитывать номинальное и

действительное значение мер, а также погрешность меры и её разряд.

Номинальным называют значение меры, указанное на ней.

Действительное значение меры должно быть указано в специальном

свидетельстве как результат высокоточного измерения с использованием

официального эталона.

191

Разность между номинальным и действительным значениями называется

погрешностью меры. Величина, противоположная по знаку погрешности,

представляет собой поправку к указанному на мере номинальному значению.

Поскольку при аттестации (поверке) также могут быть погрешности, меры

подразделяют на разряды (1-го, 2-го и т.д. разрядов) и называют разрядными

эталонами (образцовые измерительные средства), которые используют для

поверки измерительных средств. Величина погрешности меры служит основой

для разделения мер на классы, что обычно применимо к мерам, употребляемым

для технических измерений.

Измерительный преобразователь – это средство измерений, которое

служит для преобразования сигнала измерительной информации в форму,

удобную для обработки или хранения, а также передачи в показывающее

устройство. Измерительные преобразователи либо

входят в конструктивную

схему измерительного прибора, либо применяются совместно с ним, но сигнал

преобразователя не поддаётся непосредственному восприятию наблюдателем.

Например, преобразователь может быть необходим для передачи информации в

память компьютера, для усиления напряжения и т.д. Преобразуемую величину

называют входной, а результат преобразования – выходной величиной.

Основной метрологической характеристикой измерительного преобразователя

считается

соотношение между входной и выходной величинами, называемое

функцией преобразования.

Преобразователи подразделяются на первичные (непосредственно

воспринимающие измерительную величину); передающие, на выходе которых

величина приобретает форму, удобную для регистрации или передачи на

расстояние; промежуточные, работающие в сочетании с первичными и не

влияющие на изменение рода физической величины.

Измерительные приборы – это средства измерений,

которые позволяют

получать измерительную информацию в форме, удобной для восприятия

пользователем. Различают измерительные приборы прямого действия и

приборы сравнения.

Приборы прямого действия отображают измерительную величину на

показывающем устройстве, имеющем соответствующую градуировку в

единицах этой величины. Измерение рода физической величины при этом не

происходит. К приборам прямого действия относятся, например, амперметры,

вольтметры

, термометры и т.п.

Приборы сравнения предназначаются для сравнения измеряемых величин

с величинами, значения которых известны. Такие приборы широко

используются в научных целях, а также и на практике для измерения таких

величин, как яркость источников излучения, давление сжатого воздуха и др.

Иногда технические средства сравнения снабжаются средствами

измерений, обеспечивающими функции

сравнения. Например, рычажные весы ,

на одну чашу которых устанавливается эталонная гиря, а на другую

проверяемая, есть средство для их сравнения.

192

Измерительные установки и системы – это совокупность средств

измерений, объединённых по функциональному признаку со

вспомогательными устройствами ( средствами измерений той физической

величины , влияние которой на основные средства измерений необходимо

учитывать для получения результатов измерений требуемой точности), для

измерения одной или нескольких физических величин объекта измерений.

Обычно такие системы автоматизированы и обеспечивают ввод информации

систему, автоматизацию самого процесса измерения, обработку и отображение

результатов измерений для восприятия их пользователем. Такие установки

(системы) используются для контроля производственных процессов, что

особенно актуально для метода статистического контроля, а также принципа

TQM в управлении качеством.

Измерительные принадлежности – это вспомогательные средства

измерений величин. Они необходимы для вычисления поправок к

результатам

измерений, если требуется высокая степень точности. Например, термометр

может быть вспомогательным средством, если показания прибора достоверны

при строго регламентированной температуре; психрометр – если строго

оговаривается влажность окружающей среды.

Следует учитывать, что измерительные принадлежности вносят

определённые погрешности в результат измерений, связанные с погрешностью

самого вспомогательного средства.

По метрологическому назначению все средства измерений

делятся на два

вида – рабочие средства измерений и эталоны.

Рабочие средства измерений предназначены для измерений, не связанных

с передачей размера единицы другим средствам измерений, применяются для

определения параметров (характеристик) технических устройств,

технологических процессов, окружающей среды и др. Рабочие средства могут

быть лабораторными (для научных исследований), производственными (для

обеспечения и контроля

заданных характеристик технологических процессов),

полевыми (для самолётов, автомобилей, судов и т.п.). Каждый из этих видов

рабочих средств отличается особыми показателями. Так, лабораторные

средства измерений – самые точные и чувствительные, а их показатели

характеризуются высокой стабильностью. Производственные средства

обладают устойчивостью к воздействиям различных факторов

производственных процессов: температуры, влажности, вибрации и т.п

., что

может сказаться на достоверности и точности показаний приборов. Полевые

средства измерений работают в условиях, постоянно изменяющихся в широких

пределах внешних воздействий.

Все средства измерений подразделяются на стандартизированные и

нестандартизированные, автоматические и автоматизированные, узаконенные

средства и измерительные цепи.

Стандартизированное средство измерений – средство, изготовленное и

применяемое в соответствии с требованиями государственного

или отраслевого

стандарта (обычно подвергается госиспытаниям и вносится в Госреестр).

193

Нестандартизированное средство измерений – средство, стандартизация

требований к которому признана нецелесообразной.

Автоматическое средство измерений – средство, производящее без

непосредственного участия человека измерения и все операции, связанные с

обработкой результатов измерений, их регистрацией, передачей данных или

выработкой управляющего сигнала. Применяются в автоматических линиях,

гибких автоматических системах и др.

Автоматизированное средство измерений – средство, производящее в

автоматическом режиме одну или часть измерительных операций. Например,

электрический счётчик электроэнергии (измерение и регистрация данных

нарастающим итогом).

Узаконенные средства измерений – средства, признанные годными и

допущенные для применения уполномоченным на то органом. Например,

рабочие средства измерений, предназначенные для серийного выпуска

узакониваются путём утверждения типа: уникальные рабочие средства

измерений, измерительные и поверочные

установки, измерительные системы и

их разновидности – путём метрологической аттестации, проводимой

метрологическими службами.

Измерительные цепи – совокупность элементов средств измерений,

образующих непрерывные пути прохождения измерительных сигналов одной

физической величины от входов до выходов.

Примечание – измерительную цепь измерительной системы называют

измерительным каналом.

Важной составной частью средств измерений является шкала устройства.

Шкала средства измерений – часть

показывающего устройства средства

измерения, представляющая собой упорядоченный ряд отметок вместе со

связанной с ними нумерацией.

Примечание – отметки на шкалах могут быть нанесены равномерно или

неравномерно. В связи с этим шкалы называют “равномерными” или

“неравномерными”.

Отметка шкалы – знак на шкале средства измерений (чёрточка, зубец,

точка и др.), соответствующий некоторому значению физической

величины.

Числовая отметка шкалы – отметка шкалы средства измерений, у которой

проставлено число.

Деление шкалы – промежуток между двумя соседними отметками шкалы

средства измерений.

Длина деления шкалы – расстояние между осями двух соседних отметок

шкалы, измеренное вдоль воображаемой линии, проходящей через середины

самых коротких отметок шкалы.

Цена деления шкалы – разность значений величины, соответствующих

двум соседним отметкам шкалы средства измерений.

Начальное значение шкалы – наименьшее значение измеряемой

величины, которое может быть отсчитано по шкале средств измерений.

194

Конечное значение шкалы – наибольшее значение измеряемой величины,

которое может быть отсчитано по шкале средства измерений. Например для

медицинского термометра начальным значением шкалы является 34,3 градуса

Цельсия, а конечное – 42 градуса.

Табло цифрового измерительного прибора – показывающее устройство

данного прибора.

3.2.2. Погрешности измерений

Погрешность результатов измерения – отклонение результата измерения

от истинного (действительного) значения измеряемой величины. Например,

погрешность измеряемой величины (∆X

изм

) может быть определена по формуле

± ∆X

изм

= X

изм

– X

(3.1)

где X

изм

– измеренное значение величины;

– действительное значение измеряемой величины.

Как правило, истинное (действительное) значение величины неизвестно,

оно применяется только в теоретических исследованиях.

Систематическая погрешность измерения – составляющая погрешность

результата измерения, остающаяся постоянной или же закономерно

изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же физической

величины.

В зависимости от характера изменения систематические погрешности

подразделяются на постоянные, прогрессивные,

периодические и

изменяющиеся по сложному закону.

Постоянные погрешности – погрешности, которые длительное время

сохраняют своё значение, например, в течение времени выполнения всего ряда

измерений.

Прогрессивные погрешности – непрерывно возрастающие или

убывающие погрешности. К ним относятся, например, погрешности вследствие

износа измерительных наконечников, контактирующих с деталью при контроле

её прибором активного контроля.

Периодические погрешности – погрешности

, значение которых является

периодической функцией времени или перемещением указателя

измерительного прибора.

Погрешности, изменяющиеся по сложному закону, происходят

вследствие совместного действия нескольких систематических погрешностей.

Погрешность метода измерения – составляющая погрешности измерения,

обусловленная несовершенством принятого метода измерений (в зависимости

от принятого метода, нередко возникают существенные погрешности, для

ликвидации их, как правило, вводятся поправки).

195

Погрешность из-за изменений условий измерения – составляющая

систематической погрешности измерения, являющаяся следствием неучтённого

влияния отклонения в одну сторону какого-либо из параметров,

характеризующих условия измерений, от установленного значения. Например,

недостаточно учтённое изменение температуры, атмосферного давления,

влажности воздуха, вибрации и др.

Субъективная погрешность измерения – составляющая систематической

погрешности измерений, обусловленная индивидуальными особенностями

оператора

. Например, оператор в силу своей неорганизованности,

систематически опаздывает (или опережает) снимать отсчёты показаний

средств измерений.

Неисключённая систематическая погрешность – составляющая

погрешности результата измерений, обусловленная погрешностями вычисления

и выведения поправок на влияние систематических погрешностей.

Неисключённая систематическая погрешность характеризуется её

границами.

Границы неисключённой систематической погрешности при числе

слагаемых N<3 вычисляются по формуле:

Q = ±∑|Qi| (3.2)

Где Qi – граница i-й составляющей неисключённой систематической

погрешности.

При числе слагаемых N>4 границы неисключённой систематической

погрешности вычисляются по формуле:

∑

(3.3)

Где k- коэффициент зависимости отдельных неисключённых

систематических погрешностей от выбранной доверительной вероятности P

при их равномерном распределении (при P=0,99, k=1,4). Здесь Q

рассматривается как доверительная квазислучайная погрешность.

Случайная погрешность измерения – составляющая погрешности

результата измерения, изменяющаяся случайным образом при повторных

измерениях, проведённых с одинаковой тщательностью, одной и той же

физической величины.

Абсолютная погрешность измерения - погрешность

измерения,

выраженная в единицах измеряемой физической величины.

Абсолютное значение погрешности – значение погрешности без учёта её

знака (модуль погрешности).

Относительная погрешность измерения – погрешность измерения,

выраженная отношением абсолютной погрешности измерения к

действительному или измеренному значению измеряемой величины.

Относительная погрешность в долях или процентах определяется по формулам:

∆X/X или ∆X/X*100 (3.4)

196

где ∆X-абсолютная погрешность измерения;

X-действительное или измеренное значение физической величины.

Рассеяние результатов в ряде измерений – несовпадение результатов

измерений одной и той же величины в ряду равноточных измерений, как

правило, обусловленное действием случайных погрешностей.

Оценками рассеяния результатов в ряду измерений могут быть: размах,

средняя арифметическая погрешность (по модулю), средняя квадратическая

погрешность, или стандартное отклонение(среднее квадратическое отклонение,

экспериментальное среднее квадратическое отклонение), доверительные

границы погрешности (доверительная граница или доверительная

погрешность).

Поправка к результату измерения – значение величины, вводимое в

неисправленный результат с целью исключения составляющих

систематической погрешности. Поправку, прибавляемую к номинальному

значению меры, называют поправкой к значению меры, а поправку, вводимую в

показание

измерительного прибора, называют поправкой к показанию прибора.

Поправочный множитель – числовой коэффициент, на который

умножают неисправленный результат измерения с целью исключения

влияния систе-матической погрешности.

Точность результата измерений – характеристика качества измерения,

отражающая близость к нулю погрешности результата измерения.

Погрешность метода поверки – погрешность применяемого метода

передачи размера единицы при поверке.

Погрешность воспроизведения

единицы физической величины –

погрешность результата измерений, выполняемых при воспроизведении

единицы физической величины.

Погрешность передачи размера единицы физической величины -

погрешность результата измерений, выполняемых при передаче размера

единицы.

Статистическая погрешность измерений – это погрешность результата

измерений, свойственная условиям статистического измерения.

Динамическая погрешность измерений - погрешность результата

измерений, свойственная условиям динамического измерения.

Промах - погрешность результата отдельного

измерения, входящего в ряд

измерений, которая для данных условий резко отличается от остальных

результатов этого ряда.

Погрешность результата однократного измерения – погрешность одного

измерения (не входящего в ряд измерений), оцениваемая на основании

известных погрешностей средства и метода измерений в данных условиях.

Например, однократное измерение микрометром какого-либо размера детали.

При этом

еще до измерения известно, что погрешность микрометра в данном

диапазоне составляет ±0,01 мм, а погрешность метода в данном случае принята

197

равной нулю. Следовательно, погрешность полученного результата будет равна

±0,01 мм в данных условиях измерений.

Суммарная средняя квадратическая погрешность результата измерений –

погрешность результата измерений (состоящая из случайных и неисключенных

систематических погрешностей), вычисляемая по формуле:

S= (3.5)

SS +

Где

∑

3/1

QS - средняя квадратическая погрешность суммы

неисключенных систематических погрешностей при равномерном

распределении (принимаемых за случайные).

Примечание – при необходимости указания суммарной погрешности с

большей вероятностью, чем P=0,68, она вычисляется как доверительные

границы суммарной погрешности

(∆X)

= ± (3.6)

∑ ∑∑

St *

где

StQ

⋅+

∑

- граница суммы неисключенных систематических

погрешностей результата измерений, вычисленная по формуле (3.2) или (3.3);

- доверительная граница погрешности результата измерений.

St ⋅

3.2.3. Погрешности средств измерений

Погрешность средств измерений – разность между показанием средства

измерений и истинным (действительным) значением измеряемой физической

величины.

Систематическая погрешность средства измерений – составляющая

погрешности средства измерений, принимаемая постоянной или закономерно

изменяющаяся.

Примечание – систематическая погрешность данного средства

измерений, как правило, будет отличаться от систематической погрешности

другого экземпляра средства измерений этого же типа, вследствие чего для

группы однотипных средств измерений систематическая погрешность может

иногда рассматриваться как случайная погрешность.

Случайная погрешность средства измерений – составляющая

погрешности средства измерений, изменяющаяся случайным образом.

Абсолютная погрешность средства измерений – погрешность средства

измерений, выраженная в единицах измеряемой физической величины.

Относительная погрешность средства измерений – погрешность средства

измерений, выраженная отношением абсолютной погрешности средства

измерений к

результату измерений или к действительному значению

измеренной физической величины.

Приведённая погрешность средства измерений – относительная

погрешность, выраженная отношением абсолютной погрешности средства

измерений к условно принятому значению величины, постоянному во всем

198

диапазоне измерений или части диапазона. Приведенную погрешность обычно

выражают в процентах.

Основная погрешность средства измерений - погрешность средства

измерений, применяемого в нормальных условиях.

Дополнительная погрешность средства измерений – составляющая

погрешности средства измерений, возникающая дополнительно к основной

погрешности вследствие отклонения какой-либо из влияющих величин от

нормального ее значения или вследствие ее выхода за

пределы нормальной

области значений.

Статистическая погрешность средства измерений - погрешность средства

измерений, применяемого при измерении физической величины, применяемой

за неизменную.

Динамическая погрешность средства измерений - погрешность средства

измерений, возникающая при измерении изменяющейся физической величины.

Погрешность меры – разность между номинальным значением меры и

действительным значением воспроизводимой ею величины.

Стабильность средства измерений – качественная характеристика

средства измерений, отражающая неизменность во времени его

метрологических характеристик.

Нестабильность средств измерений – изменение метрологических

характеристик средства измерений за установленный интервал времени.

Например, для ряда средств измерений, особенно некоторых мер,

нестабильность является одной из важнейших точностных характеристик. Для

нормальных элементов нестабильность устанавливается государственным

стандартом технических условий на их изготовление. Нестабильность

определяют на

основании длительных исследований средства измерений, при

этом полезны периодические сличения с более стабильными средствами

измерений.

Точность средства измерений – характеристика качества средства

измерений, отражающая близость его погрешности к нулю.

Класс точности средства измерений – обобщенная характеристика

данного типа средств измерений и, как правило, отражающая уровень их

точности, выражаемая пределами допускаемых основной и

дополнительной

погрешностей, а также другими характеристиками, влияющими на точность.

Примечания: 1) класс точности дает возможность судить о том, в каких

пределах находится погрешность средств измерений одного типа, но не

является непосредственным показателем точности измерений, выполняемых с

помощью каждого из этих средств. Это важно при выборе средств измерений в

зависимости от заданной точности

средств измерений; 2) класс точности

средств измерений конкретного типа устанавливают в стандартах технических

требований (условий) или в другой технической документации, утверждённой в

установленном порядке.

Предел допускаемой погрешности средства измерений – наибольшее

значение погрешности средств измерений, устанавливаемое нормативно-

199

техническими документами для данного типа средств измерений, при котором

оно еще признаётся годным к применению.

Инструментальная погрешность измерения – составляющая погрешности

измерения, обусловленная погрешностью применяемого средства измерения.

Погрешность градуировки средства измерений – погрешность

действительного значения величин, приписанного той или иной отметке шкалы

средства измерений в результате градуировки.

Нормируемые метрологические характеристики типа средств измерений

совокупность метрологических характеристик данного типа средств измерений,

устанавливаемая нормативно-техническими документами на средства

измерений.

Точные характеристики средства измерений – совокупность

метрологических характеристик средств измерений, влияющих на погрешность

измерения. К точностным характеристикам, как правило, относят погрешность

средства измерений, нестабильность, порог чувствительности, дрейф нуля и др.

На погрешность средств измерений значительное влияние оказывают

условия измерений: нормальные условия измерений, нормальное значение

влияющей величины, нормальная область значений влияющей величины,

рабочие условия, рабочее пространство, предельные условия измерений и др.

3.2.4. Эталоны, их классификация и виды

Эталон единицы физической величины – средство измерений

(высокоточная мера) или комплекс средств измерений, предназначенные для

воспроизведения и (или) хранения единицы величины с целью передачи ее

размера нижестоящим по поверочной схеме средствами измерений и

утверждённые в качестве эталона в установленном порядке. От эталона

единица величины, как правило, передаётся разрядным эталонам, а от

них –

рабочим средствам измерений.

Конструкция эталона, его свойства и способы воспроизведения единицы

определяются природой данной физической величины и уровнем развития

измерительной техники в данной области измерений. Эталон должен обладать,

по крайней мере, тремя тесно связанными друг с другом существенными

признаками – неизменностью, воспроизводимостью и сличаемостью.

Эталоны классифицируются на первичные, вторичные и рабочие

Первичный эталон – это эталон, обеспечивающий воспроизведение

единицы физической величины с наивысшей точностью, возможной в данной

области измерений на современном уровне научно-технических достижений.

Первичный эталон может быть национальным (государственным) и

международным.

Государственный (национальный) первичный эталон – это эталон,

признанный решением уполномоченного на то государственного органа в

качестве исходного на территории страны.

Например, на территории РБ

200