|
|||
1. Дайте определение метрологии
Метрология — наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и требуемой точности. Метрология как наука подразделяется на:
Законодательная метрология — раздел метрологии, включающий общие правила регламентации и контроля со стороны государства, направленные на обеспечение единства измерений и единообразие средств измерений. Законодательная метрология является средством государственного регулирования метрологической деятельности посредством издания законов, законодательных положений, которые вводятся в практику измерений через государственную метрологическую службу и метрологические службы государственных органов управления, метрологические службы предприятий, а также через физических лиц, занимающихся производственной деятельностью. К сфере ее деятельности относятся: испытание и утверждение типа средств измерений, их поверка и калибровка, а также сертификация средств измерений. Ее службы осуществляют государственный метрологический контроль и надзор за всеми средствами измерений (производство не запускается, пока метрологическая служба не произведет поверку приборов). Фундаментальная метрология занимается общими рекомендательными вопросами теории измерений, разработкой новых методов измерений, созданием систем единиц измерений и физических постоянных. Прикладная метрология изучает вопросы практического применения результатов разработок фундаментальной и законодательной метрологии в различных сферах деятельности. Измерение — основной познавательный процесс науки и техники, посредством которого неизвестная величина количественно сравнивается с однородной с ней известной величиной. Любая наука начинается тогда, когда решен вопрос измерения изучаемого объекта. Но в метрологии необходимо не только научиться измерять, главная задача метрологии — обеспечить единство измерений, для чего необходимо выполнение двух условий. 1. Выразить результаты измерений в единых узаконенных единицах измерения. В РФ установлена единая система измерения (СИ). Практические измерения могут проводить с отклонением от системы СИ, но результаты измерения метрологом должны быть переведены в единую систему мер для обеспечения единства сравнения. 2. Установить допустимые погрешности результатов измерений и пределов, за которые эти измерения не должны выходить при заданной вероятности и при данном уровне развития науки и техники. Единство измерений не может быть обеспечено только совпадением погрешностей. Требуется еще достоверность измерений, которая свидетельствует о том, что погрешность измеряемой величины не выходит за пределы отклонений, установленных чертежом на изделие, стандартом или поставленной научной целью измерений. Единство измерений обеспечивается государственной системой обеспечения единства измерений, которую в настоящий момент следует, по аналогии с НСС, рассматривать как национальную. В современных российских условиях государство должно взять на себя регулирование той сферы практической метрологии, которая затрагивает жизненно важные интересы общества в целом и отдельных граждан. Это подсистема, жестко регулируемая с помощью обязательных к исполнению государственных документов (указов, законов, постановлений). В этом случае используется механизм принуждения. Но есть и сфера саморегулирования, подчиняющаяся законам рынка. В этой подсистеме могут использоваться метрологические документы нормативного и методического характера на условиях полной добровольности. Таким образом, на смену государственной системе обеспечения единства измерений пришла система государственного технического регулирования, основы которой установлены Законом «О техническом регулировании». Измерение является важнейшим понятием в метрологии. Это организованное действие человека, выполняемое для количественного познания свойств физического объекта с помощью определения опытным путем значения какой-либо физической величины. Существует несколько видов измерений. При их классификации обычно исходят из характера зависимости измеряемой величины от времени, вида уравнения измерений, условий, определяющих точность результата измерений и способов выражения этих результатов. По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения разделяются на статические, которые имеют место, когда измеряемая величина практически постоянна, и динамические, связанные с величинами, которые в процессе измерений претерпевают те или иные изменения. Статическими измерениями являются, например, измерения размеров тела, постоянного давления, динамическими — измерения пульсирующих давлений, вибраций. По способу получения результатов измерения разделяют на прямые, косвенные, совокупные и совместные. Прямые измерения — измерения, при которых искомое значение физической величины находят непосредственно из опытных данных путем ее непосредственного сравнения с мерой. При прямых измерениях экспериментальным операциям подвергают измеряемую величину, которую сравнивают с мерой непосредственно или же с помощью измерительных приборов, градуированных в требуемых единицах (например, при определении длины предмета линейкой). Прямые измерения широко применяются в машиностроении, а также при контроле технологических процессов (измерение давления, температуры и др. ). Косвенные измерения — измерения, при которых искомую величину определяют на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям, т. е. измеряют не собственно определяемую величину, а другие, функционально с ней связанные. Значение измеряемой величины находят через преобразование или через установленную формулу. Примеры косвенных измерений: определение объема тела по прямым измерениям его геометрических размеров, нахождение удельного электрического сопротивления проводника по его сопротивлению, длине и площади поперечного сечения. Косвенные измерения широко распространены в технике и в лабораторных исследованиях в тех случаях, когда искомую величину невозможно или слишком сложно измерить непосредственно или когда прямое измерение дает менее точный результат (измеряемая величина или не имеет эталона, или отсутствует необходимый прибор). Роль их особенно велика при измерении величин, недоступных непосредственному экспериментальному сравнению, например размеров астрономического или внутриатомного порядка. Совокупные измерения — это производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, характеризующих данный предмет или изделие, при которых искомую определяют решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин. Примером совокупных измерений является определение массы отдельных гирь набора (калибровка по известной массе одной из них и по результатам прямых сравнений масс различных сочетаний гирь) или прогнозирование погоды на основе замеров силы ветра, влажности воздуха, фронтов и т. п. Совместные измерения — это производимые одновременно измерения двух или нескольких неоднородных физических величии для нахождения зависимостей между ними. В качестве примера можно назвать измерение электрического сопротивления при определенных температурных параметрах и температурных коэффициентов измерительного резистора по данным прямых измерений его сопротивления при различных температурах. По условиям, определяющим точность результата, измерения делятся на три класса. 1. Измерения максимально возможной точности, достижимой при существующем уровне техники. К ним относятся в первую очередь эталонные измерения, связанные с максимально возможной точностью воспроизведения установленных единиц физических величин, и, кроме того, измерения физических констант, прежде всего универсальных (например, абсолютного значения ускорения свободного падения и др. ). К этому же классу относятся и некоторые специальные измерения, требующие высокой точности. 2. Контрольно-поверочные измерения, погрешность которых с определенной вероятностью не должна превышать некоторого заданного значения. К ним относятся измерения, выполняемые лабораториями государственного надзора за внедрением и соблюдением стандартов и состоянием измерительной техники и заводскими измерительными лабораториями, которые гарантируют погрешность результата с определенной вероятностью, не превышающей некоторого заранее заданного значения. 3. Технические измерения, в которых погрешность результата определяется характеристиками средств измерений. Примерами технических измерений являются измерения, выполняемые в процессе производства на машиностроительных предприятиях, на щитах распределительных устройств электрических станций и др. По способу выражения результатов измерений различают абсолютные и относительные измерения. Абсолютными называются измерения, которые основаны на прямых измерениях одной или нескольких основных величин или на использовании значений физических констант. Примером абсолютных измерений может служить определение длины в метрах, силы электрического тока в амперах, ускорения свободного падения в метрах на секунду в квадрате. Относительными называются измерения отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную. В качестве примера относительных измерений можно привести измерение относительной влажности воздуха, определяемой как отношение количества водяных паров в 1 м3 воздуха к количеству водяных паров, которое насыщает 1 м3 воздуха при данной температуре. По характеру изменения измеряемой величины измерения бывают:
По количеству измерительной информации измерения бывают:
Однократные измерения — это одно измерение одной величины, т. е. число измерений равно числу измеряемых величин. Практическое применение такого вида измерений всегда сопряжено с большими погрешностями. Многократные измерения — характеризуются превышением числа измерений количества измеряемых величин. Преимущество многократных измерений — значительное снижение влияний случайных факторов на погрешность измерения. Основными характеристиками измерений являются: принцип измерений, метод измерений, погрешность, точность, правильность и достоверность. Принцип измерений — физическое явление или совокупность физических явлений, положенных в основу измерений. Например, измерение массы тела при помощи взвешивания с использованием силы тяжести, пропорциональной массе, измерение температуры с использованием термоэлектрического эффекта. Метод измерений — совокупность приемов использования принципов и средств измерений. Средствами измерений являются используемые технические средства, имеющие нормированные метрологические свойства. Погрешность измерений — отклонение результата измерений от истинного значения измеряемой величины. Погрешность вызывается воздействием множества факторов, таких как: характер измеряемой величины, качество применяемых средств измерений, метод измерений, условия измерения (температура, влажность, давление и т. п. ), индивидуальные особенности лица, выполняющего измерения, и др. Под влиянием этих факторов результат измерений будет отличаться от истинного значения измеряемой величины. В практической деятельности вместо истинного значения используют его оценку, за которую принимают обычно показание эталонов. Погрешности измерений классифицируют по форме числового выражения, по источникам возникновения и по характеру проявления погрешности[1]. По первому признаку их подразделяют на абсолютные и относительные. Абсолютные погрешности выражают в единицах измеряемой величины. Относительная погрешность определяется отношением абсолютной погрешности к истинному значению измеряемой величины. Например, вагон массой 50 т измерен с абсолютной погрешностью ± 50 кг, относительная погрешность составляет ± 0, 1 %. По второму признаку выделяют:
В соответствии с третьим признаком погрешности измерений подразделяют на систематические и случайные. Систематическая погрешность остается постоянной или изменяется по определенному закону при повторных измерениях одной и той же величины. Случайная погрешность изменяется случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины. В отличие от систематических погрешностей случайные погрешности нельзя исключить из результатов измерений, но можно уменьшить их негативное воздействие путем применения специальных способов обработки результатов измерений. Точность измерений — качественная характеристика измерений, отражающая близость их результатов к истинному значению измеряемой величины. Количественно точность можно выразить величиной «класс точности». Это характеристика, зависящая от способа выражения пределов допускаемых погрешностей средств измерений. Введение класса точности преследовало цель классификации средств измерений по точности. В настоящее время, когда схемы и конструкции средств измерений усложнились, а области применения средств измерений весьма расширились, на погрешность измерений стали существенно влиять и другие факторы: изменения внешних условий и характер изменения измеряемых величин во времени. Погрешность измерительных приборов перестала быть основной составляющей погрешности измерений, и класс точности не позволяет в полной мере решать практические задачи, перечисленные выше. Область практического применения характеристики «класс точности» ограничена только такими средствами измерений, которые предназначены для измерения статических величин. В международной практике «класс точности» устанавливается только для небольшой части приборов. Правильность измерений — качество измерений, отражающее близость к нулю систематических погрешностей в их результатах (т. е. таких погрешностей, которые остаются постоянными или закономерно изменяются при повторных измерениях одной и той же величины). Правильность измерений зависит, в частности, от того, насколько действительный размер единицы, в которой выполнено измерение, отличается от ее истинного размера (по определению), т. е. от того, в какой степени были правильны (верны) средства измерений, использованные для данного вида измерений. Достоверность характеризует доверие к результатам измерений и делит их на две категории: достоверные и недостоверные, в зависимости от того, известны или неизвестны вероятностные характеристики их отклонений от истинных значений соответствующих величин. Поэтому такие вероятности следует рассматривать в качестве критериев достоверности контроля, чтобы в границах допуска правильно охарактеризовать параметры качества и безопасности. Наличие погрешности ограничивает достоверность измерений, т. е. вносит ограничение в число достоверных значащих цифр числового значения измеряемой величины и определяет точность измерений. Характеристики погрешности измерений должны выбираться при контроле образцов продукции в соответствии с требованиями достоверности контроля. Положения Закона РФ «Об обеспечении единства измерений» направлены на защиту интересов граждан, правопорядка и экономики страны от последствий недостоверных результатов измерений. Для реализации положения Закона любая измерительная информация (приводимая в нормативных и технических документах, справочных пособиях и научно-технической литературе и др. ), предназначенная для практического использования, должна сопровождаться указанием характеристик погрешности измерений. В зависимости от назначения результатов измерений, сложности и ответственности решаемых задач номенклатура выбираемых характеристик погрешностей измерений может быть различной. Однако во всех случаях она должна обеспечивать возможность сопоставления и совместного использования результатов измерений, достоверную оценку качества и эффективности решаемых измерительных задач. Измерения как основной объект метрологии связаны в основном с физическими величинами. Физическая величина — одно из свойств физического объекта, явления, процесса, который является общим в качественном отношении для многих физических объектов, отличаясь при этом количественным значением. Физическая величина, которой по определению присвоено числовое значение, равное единице, называется единицей физической величины. Различают основные и производные единицы. Основные единицы физической величины выбираются произвольно, независимо от других единиц. Например, единица длины — метр, единица массы — килограмм, единица температуры — градус и т. д. Единицы, образованные с помощью формул, выражающих зависимость между физическими величинами, называют производными единицами. В этом случае единицы величин будут выражаться через единицы других величин. Например, единица скорости — метр в секунду (м/с), единица плотности — килограмм на метр в квадрате (кг/м2). Разные единицы одной и той же величины отличаются друг от друга своим размером. Такие единицы называют кратными (например, километр — 103 м, киловатт — 103 Вт) или дельными (например, миллиметр — 1(Г3 м, миллисекунда — 1(Г3 с). Такие единицы получают умножением или делением независимой или производной единицы на целое число, обычно на 10. Единицы физических величин объединяются по определенному принципу в системы единиц. Эти принципы заключаются в следующем: произвольно устанавливают единицы для некоторых величин, называемых основными единицами, и по формулам через основные получают все производные единицы для данной области измерений. Совокупность основных и производных единиц, относящихся к некоторой системе величин и образованная в соответствии с принятыми принципами, составляет систему единиц физических величин. Многообразие систем единиц для различных областей измерений создавало трудности в научной и экономической деятельности как в отдельных странах, так и в международном масштабе. Поэтому возникла необходимость в создании единой системы единиц, которая включала бы в себя единицы величин для всех разделов физики. Международная система единиц состоит из семи основных единиц, двух дополнительных единиц и необходимого числа производных единиц. К основным относятся:
Три первые единицы (метр, килограмм, секунда) позволяют образовать производные единицы для измерения механических и акустических величин. При добавлении к указанным четвертой единицы — кельвина можно образовать производные единицы для измерений тепловых величин. Единицы (метр, килограмм, секунда, ампер) служат основой для образования производных единиц в области электрических, магнитных измерений и измерений ионизирующих излучений. Единица моль используется для образования единиц в области физико-химических измерений. Дополнительными единицами являются: Единица плоского угла — радиан и единица телесного угла — стерадиан используются для образования производных единиц, связанных с угловыми величинами (например, угловая скорость, световой поток и др. ). В настоящее время в Российской Федерации в установленном порядке допускаются к применению единицы величин Международной системы единиц, принятой Генеральной конференцией по мерам и весам, рекомендованные Международной организацией законодательной метрологии. Правительством Российской Федерации могут быть допущены к применению наравне с единицами величин Международной системы единиц внесистемные единицы величин, поскольку характеристики и параметры продукции, поставляемой на экспорт, в том числе средств измерений, могут быть выражены в единицах величин, установленных заказчиком. Единство измерений достигается точным воспроизведением, хранением установленных единиц физических величин и передачей их размеров всем используемым средствам измерений, проградуированных в этих единицах. Средство измерений, предназначенное для воспроизведения и хранения единицы величины (или кратных либо дельных значений единицы величины) с целью передачи ее размера другим средствам измерений данной величины, выполненное по особой спецификации и официально утвержденное в установленном порядке, называется эталоном. Эталоны классифицируют на первичные, вторичные и рабочие Первичный эталон воспроизводит единицу физической величины с наивысшей точностью, возможной в данной области измерений на современном уровне научно-технических достижений. Первичный эталон может быть национальным (государственным) и международным. Национальный эталон утверждается в качестве исходного средства измерения для страны национальным органом по метрологии. В основе создания эталонов лежат фундаментальные исследования. В эталонах воплощены новейшие достижения науки и техники для воспроизведения единиц с максимально возможной точностью. Вторичные эталоны используются для проведения отдельных видов метрологической деятельности. Значения вторичных эталонов устанавливают по государственному эталону. По назначению их подразделяют на эталоны-свидетели, эталоны-копии, эталоны-сравнения и рабочие эталоны. Эталон-свидетель предназначен для проверки сохранности государственного эталона и его замены в случае порчи или утраты. Эталон-копия предназначен для передачи размеров единиц рабочим эталонам. Эталон- сравнение применяют для сличения эталонов. Рабочий эталон используется для передачи размера единиц менее точному рабочему эталону (или эталону более низкого разряда) и рабочим средствам измерений. По метрологическому назначению средства измерений делят на два вида — рабочие средства измерений и эталоны. Рабочие средства измерений (РСИ) применяют 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 самолетов, автомобилей, судов и т. п. ). Каждый из этих видов рабочих средств отличается особыми показателями. Так, лабораторные средства измерений — самые точные и чувствительные, а их показания характеризуются высокой стабильностью. Производственные обладают устойчивостью к воздействиям различных факторов производственного процесса: температуры, влажности, вибрации и т. п., что может сказаться на достоверности и точности показаний приборов. Полевые работают в условиях, постоянно изменяющихся в широких пределах внешних воздействий. В настоящее время установлен многоступенчатый порядок передачи размеров единицы физической величины от государственного эталона с помощью вторичных эталонов к РСИ. Передача размера осуществляется различными методами поверки, по существу известными методами измерений. Передача размера через каждую ступень сопровождается потерей точности, однако многоступенчатость позволяет сохранять эталоны и передавать размер единицы всем РСИ. Пересмотр прав и обязанностей участников правоотношений определяется также необходимостью более четкого установления сфер ответственности государства в обеспечении единства измерений в Российской Федерации. Намечается сужение сфер распространения государственного метрологического надзора (ст. 13 Закона «Об обеспечении единства измерений» 1993 г. ). При этом имеется в виду, что функции надзора будут в целом ряде случаев переданы производителям, заинтересованным в повышении конкурентоспособности своей продукции и оказываемых ими услуг. С другой стороны, в связи с принятием Федерального закона «О техническом регулировании» в законопроект будут включены положения, касающиеся правовой регламентации вопросов обеспечения единства измерений техническими регламентами, а также о распространении государственного метрологического надзора и на соблюдение требований технических регламентов. При этом принимается во внимание, что реализация любых видов технических регламентов невозможна без соблюдения действующих метрологических требований. Содержание ряда новых прав и обязанностей участников правоотношений следует определить также исходя из необходимости повышения уровня метрологического обеспечения производства и эксплуатации продукции, работ и услуг как предпосылки достижения их конкурентоспособности. В настоящее время назрела необходимость распространения метрологических требований не только на средства измерений, но также на средства контроля и испытательное оборудование, так как осуществление контрольных и испытательных функций предполагает выполнение множества метрологических процедур, направленных на определение действительных свойств проверяемого объекта. Наряду с этим расширение производства фасованных товаров в упаковках любого вида, характерное как для внутреннего, так и внешнего рынка, требует более детального правового регулирования порядка государственного метрологического надзора за количеством товаров в этих упаковках. В действующем законодательстве имеются существенные пробелы по этим вопросам, в частности не предусмотрен механизм юридической ответственности в случае нарушения метрологических требований к фасованным товарам. Актуальными являются и вопросы уточнения особенностей правового статуса эталонов, а также прав и обязанностей ответственных, ученых, хранителей и потребителей эталонов. В более детальном правовом регулировании нуждается порядок передачи размеров единиц физических величин от эталонов к рабочим средствам измерений. Дополнения необходимы также по вопросам, касающимся методик выполнения измерений (о порядке их разработки, утверждения и применения), — одного из важнейших правовых институтов в области обеспечения единства измерений. К пробелам в действующем законодательстве относятся и вопросы, связанные с подготовкой, аттестацией и определением прав и обязанностей экспертов и иных специалистов в области метрологии. Участие этих лиц в проведении различных метрологических работ имеет широкое распространение и исключительно большое значение, учитывая специфику и научно-техническое содержание этих работ, а также необходимость наличия у этих лиц специальной квалификации в области метрологии. Наряду с этим изменения должны коснуться также ряда общих и специальных вопросов государственного метрологического контроля и надзора. При этом нуждаются в пересмотре нормы, которыми без достаточного основания производится разграничение понятий «контроль» и «надзор». Основополагающим актом законодательства в рассматриваемой области является Закон РФ «Об обеспечении единства измерений» от 1993 г. Этим Законом определены наиболее общие положения и принципы метрологической деятельности в стране с учетом особенностей начального периода перехода к рыночной экономике. На базе положений этого Закона принят ряд подзаконных актов различного уровня, среди которых выделяется постановление Правительства Российской Федерации «Об организации работ по стандартизации, обеспечению единства измерений, сертификации продукции и услуг» № 100 от 12 февраля 1994 г. Этим постановлением утвержден ряд положений, касающихся важнейших видов деятельности в области обеспечения единства измерений, в частности положение о государственных научных метрологических центрах; о порядке аккредитации метрологических служб юридических лиц на право поверки средств измерений; положение о метрологическом обеспечении обороны в Российской Федерации и др. Правовое регулирование вопросов обеспечения единства измерений характеризуется наличием значительного количества технико-юридических норм и актов по таким специальным вопросам метрологии, как поверка и калибровка средств измерений, методики выполнения измерений и испытаний, метрологическая экспертиза, аттестация и др. Этими актами положения, основанные на выводах и закономерностях метрологии (науки об измерениях), возводятся в ранг обязательных правовых предписаний, и в связи с этим они нуждаются в регулярном обновлении. Удельный вес этих актов весьма значителен. А их разработка может быть возложена лишь на научные метрологические центры. Утверждение этих актов осуществляется согласно действующему законодательству Ростехрегулированием. Литература · Медовикова Н. Я., Рейх Н. Н. Погрешности измерений и оценивания иххарактеристик: конспект лекций. М.: ВИСМ, 1991. · Яблонский О. П., Иванова В. А. Основы стандартизации, метрологии, сертификации. - Ростов н/Д: Феникс, 2004. С. 143-148.
Задание 1. Дайте определение метрологии 2. Перечислите виды метрологии 3. Дайте определение понятию измерение 4. Перечистите виды измерений по способу получения результатов 5. Перечистите виды измерений по условиям, определяющим точность результата 6. Перечистите виды измерений по способу выражения результатов 7. Перечистите виды измерений по характеру изменения измеряемой величины 8. Перечистите виды измерений по количеству измерительной информации
|
|||
|