Объектов материального мира 2 страница

- содействие процессам присоединения России к ГАТТ/ВТО и вхождение в Европейский Союз;

- сохранение авторитета и позиции российской метрологии в международных организациях;

- ориентация в двухстороннем сотрудничестве на обеспечение взаимного признания результатов испытаний, калибровок и поверок в целях ликвидации технических барьеров в экономических отношениях.

Сформулированные принципы являются в настоящее время основой для последовательной реализации научно-технической политики России в области метрологии. Методологическое обеспечение этой политики базируется на имеющихся нормативно-правовых документах и практическом опыте сотрудничества.

Основным принципом метрологического обеспечения является установление и применение научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерений.

Общие правила и нормы метрологического обеспечения регламентируются стандартами Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ).

Основными объектами стандартизации ГСИ являются:

-единицы величин (Приложение1);

-государственные эталоны;

-методы и средства поверки и калибровки средств измерений;

-номенклатура нормируемых метрологических характеристик средств измерений;

-нормы точности измерений;

-формы представления результатов измерений;

-методики выполнения измерений и их аттестация;

-организация и порядок проведения государственных испытаний, поверок, калибровок, а также метрологической экспертизы нормативно-технической, проектной, конструкторской и технологической документации;

-термины и определения в области метрологии;

-аккредитация метрологических служб.

С принятием в 1993 г. Закона РФ «Об обеспечении единства измерений» начался новый этап развития метрологии в стране. Закон позволил создать новую систему, работающую по критерию обеспечения единства измерений, которая ориентирована на гармоничное взаимодействие с национальными системами измерений других стран.

6.3 Воспроизведение единиц

физических величин

Важнейшим направлением обеспечения единства измерений является воспроизведение единиц физических величин. Последнее базируется на тождественности единиц, в которых проградуированы все средства измерений одной и той же физической величины. Например, если речь идет об измерении массы, то его единица должна соответствовать независимо от места нахождения принятому эталону. Это достигается путем точного воспроизведения и хранения в специализированных учреждениях системы Госстандарта установленных единиц физических величин и передачи их размеров средствам измерения. Отсюда следует, что воспроизведение распадается на три самостоятельных, но тесно связанных процесса – хранение, воспроизведение и передача физических единиц.

Рассмотрим эти процессы.

Исходным для определения любой физической величины является международный эталон, хранящийся в строго определенных условиях в специальном хранилище. По нему выполнены национальные эталоны, которые имеются в каждой стране и хранятся в таких же условиях, как и международный. Периодически национальные эталоны поверяются с тем, который хранится в Международном бюро мер и весов. Например, последняя поверка показала отличие платиноиридиевой гири массой в 1 кг, входящей в состав Государственного эталона РФ, плюс 87·10^{-9 кг. Подобную точность эталона физической величины обеспечивает его хранение.}

Воспроизведение основной единицы – это воспроизведение единицы путем создания фиксированной по размеру физической величины в соответствии с определением единицы. Оно осуществляется с помощью государственных первичных эталонов.

Воспроизведение производной единицы – это определение значения физической величины в указанных единицах на основании косвенных измерений других величин, функционально связанных с измеряемой. Например, единица силы воспроизводится на основании уравнения механики F = mg, где m – масса тела; g – ускорение свободного падения.

Наиболее уязвимым звеном в воспроизведении физической величины является передача размера единицы, то есть приведение размера единицы физической величины, хранимой поверочным средством измерения, к размеру единицы, воспроизводимой или хранимой эталоном, осуществляемое при их поверке или калибровке. Размер единицы передается «сверху в низ» - от более точных средств измерения к менее точным.

Хранение единицы предполагает комплекс мероприятий, направленных на неизменность во времени размера единицы, присущего конкретному средству измерения. Хранение эталона единицы физической величины включает в себя проведение взаимосвязанных операций, позволяющих поддерживать метрологические характеристики эталона в установленных пределах. В качестве примера обеспечивающих операций можно привести такие, как поддержание на определенном уровне температуры, давления, влажности, напряженности окружающего магнитного поля и т.д.

При хранении первичного эталона выполняются регулярные его исследования, направленные на определение соответствия национальным эталонам других стран. Это делается с целью повышения точности воспроизведения единицы и совершенствования методов передачи ее размеров.

6.4 Понятие об эталонах единиц

физических величин

В предыдущих разделах мы довольно часто употребляли термин эталон. Остановимся на этом понятии подробнее.

По всеобщей классификации принято считать, что эталон – это средство измерения (или комплекс средств измерения), предназначенное для воспроизведения и хранения единицы и передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерения и утвержденного в качестве эталона в установленном порядке. Классификацию эталонов, их назначение и общие требования к созданию, хранению и применению устанавливает ГОСТ 8.057-80 «ГСИ. Эталоны единиц физических величин. Основные положения».

Для некоторых единиц физических величин эталоны не создаются, поскольку нет возможности непосредственно сравнивать физическую величину. Поэтому количество эталонов не соответствует количеству физических величин. К примеру, отсутствует эталон площади. Если единица физической величины с достаточной точностью воспроизводится на основе сравнительно простых средств измерений других физических величин, то для такой единицы эталон также не создается.

6.4.1 Свойства эталонов

Неизменность - свойство эталона удерживать неизменным размер воспроизводимой им единицы в течении длительного времени. Все изменения, зависящие от внешних условий, должны быть строго определенными функциями величин, доступных точному измерению. Выполнение этих требований привело к созданию «естественных» эталонов различных величин, основанных на физических постоянных.

Воспроизводимость – возможность воспроизведения единицы физической величины (на основе теоретического определения) с наименьшей погрешностью для существующего уровня развития измерительной техники. Воспроизводимость предполагает необходимость постоянного совершенствования методики повторения эталона на основе последних достижений науки и техники. Например, первым эталоном времени были механические часы, затем секунда определялась через период вращения Земли вокруг оси. По мере развития измерительной техники совершился переход к ядерным часам. Немаловажную роль играют исследования появления систематической погрешности и ее исключения путем введения соответствующих поправок.

Сличаемость – возможность обеспечения сравнения с эталоном других средств измерения, стоящих ниже эталона по поверочной схеме. Свойство предполагает, что эталоны по своему устройству и принципу действия не вносят какие-либо искажения в результат сличения и сами эталоны не претерпевают изменений в процессе сличения. Это относится, в первую очередь, к вторичным эталонам, которые сравниваются с наивысшей точностью для существующего уровня развития измерительной техники и методики измерений.

По своей сути эталоны предназначены для воспроизведения единицы физической величины для целей передачи ее другим СИ, поэтому их различают по назначению:

Первичный – для обеспечения воспроизведения и хранения единицы с наивысшей в стране точностью. Первичные эталоны являются уникальными средствами измерения, зачастую представляющие собой сложные измерительные установки и комплексы, созданные на основе последних достижений науки и техники и представляющие основу государственной системы единства измерений.

Специальный – обеспечивает воспроизведение единицы измерения в условиях, при которых прямая передача размера единицы от первичного эталона с требуемой точностью невозможна, и служит для этой цели первичным эталоном.

Государственный – первичный или специальный эталон, официально утвержденный главным метрологическим центром страны в качестве исходного для страны. Государственные эталоны создаются, хранятся и применяются центральными научными метрологическими институтами страны. Точность воспроизведения единицы должна соответствовать уровню последних мировых достижений и удовлетворять потребности науки и техники. В состав государственных эталонов включаются средства измерения, с помощью которых хранят и воспроизводят единицу физической величины, контролируют условия измерений и неизменность воспроизведенного или хранимого размера единицы и осуществляют ее передачу. Государственные эталоны периодически сличают с аналогичными эталонами других стран или с эталонами, находящимися в Международном комитете мер и весов.

Вторичный – хранит размер единицы, полученный путем сличения с первичным эталоном соответствующей физической величины. Вторичные эталоны являются частью подчиненных средств хранения единицы и передачи ее размера. Они создаются и утверждаются в случае необходимости поверочных работ и обеспечения сохранности и наименьшего износа государственного эталона.

По своему метрологическому назначению вторичные эталоны делятся на:

эталон-копия – служит для передачи размера единицы рабочим эталонам. Этот эталон создается при необходимости проведения большого числа поверочных работ с целью сохранения первичного или специального эталона. Эталон-копия представляет собой копию государственного эталона только по метрологическому назначению, поэтому не всегда является его физической копией.

эталон сравнения – применяется для сличения эталонов, которые по каким-либо причинам не могут сравниваться непосредственно.

эталон-свидетель – предназначен для проверки сохранности и неизменности государственного эталона и замены его в случае порчи или утраты. Основное назначение – контроль постоянства основного эталона.

Первичный эталон

Наивысшей точности

Вторичный эталон

3-го разряда

2-го разряда

4-го разряда

1-го разряда

Высшей точности

Высокой точности

Рис. 6 Схема взаимодействия эталонов, мер и измерительных приборов.

Рабочий эталон применяется для передачи размера единицы физической величины рабочим средствам измерения. Рабочие эталоны применяются в территориальных метрологических органах, а также аккредитованных лабораториях предприятий и организаций.

Схема взаимодействия эталонов, мер и измерительных приборов приведена на рис. 6.

6.5 Поверочные схемы.

Для обеспечения правильной передачи размера единиц физических величин во всех звеньях метрологической цепи (эталон ® образцовая мера ® рабочая мера ® измерительный прибор) установлен определенный порядок, который приводится в поверочных схемах. Основные положения о поверочных схемах приведены в ГОСТ 8.061-80 «ГСИ. Поверочные схемы. Содержание и построение».

Поверочная схема представляет собой исходный нормативный документ, устанавливающий метрологическое соподчинение средств измерений и порядок передачи размера единиц от эталона к рабочим средствам измерений. Поверочные схемы подразделяются на государственные и локальные. Пример поверочной схемы приведен на рис. 7.

Государственная поверочная схема распространяется на все средства измерения данной физической величины, имеющиеся в стране. Эти схемы служат основанием для составления локальных поверочных схем, разработки стандартов и методических указаний на методы и средства поверки средств измерений. Федеральные поверочные схемы утверждаются в виде государственного стандарта и содержат чертеж поверочной схемы и поясняющую текстовую часть.

Локальная поверочная схема распространяется на средства измерения данной физической величины, применяемые в регионе, отрасли, ведомстве или на отдельном предприятии.

Поверочная схема устанавливает передачу размера единиц одной или нескольких взаимосвязанных величин. На чертеже поверочной схемы указываются: наименование средств измерений; диапазон значений физических величин; обозначения и оценки погрешностей; наименование методов поверки. Методы поверки указываются на поверочной схеме и должны содержать специфику поверки данного вида средства измерения.

В поверочных схемах приведены различные способы поверки средств измерений по эталонам.

Поверка средств измерений – это установление органом государственной метрологической службы (или другим официально уполномоченным органом) пригодности СИ к применению на основании экспериментально определяемых метрологических характеристик и подтверждения их соответствия установленным требованиям.

Меры могут быть поверены:

-способом сличения с более точной образцовой мерой посредством компарирующего прибора (например, поверка концевых мер длины);

-измерением воспроизводимой мерой величины измерительными приборами соответствующего разряда и класса точности;

-способом калибровки, когда с более точной мерой сличается одна мера набора или одна из отметок шкалы многозначной меры, а действительные размеры других мер или значения воспроизводимых ими величин на других отметках шкалы определяются путем их взаимного сравнения в различных сочетаниях на приборах сравнения и при дальнейшей обработке результатов измерений (калибровка гирь или линейных шкал).

Поверка измерительных приборов проводится одним из двух методов:

-методом сравнения величин, воспроизводимых рабочими эталонами (мерами) соответствующих разрядов или классов точности, и измеряемых величин. Значения величин выбирают равными соответствующим отметкам шкалы прибора. Наибольшая разность между результатом

Эталоны

Рис. 7 Схема поверки средств измерений

На схеме (рис. 7) обозначены:

1 – государственный эталон;

2 – метод передачи размера единиц;

3 – эталон вторичный;

4 – эталон-свидетель;

5 – эталон - копия;

6, 7, 8 – рабочие эталоны соответствующих разрядов;

9 – рабочие эталоны, заимствованные из других поверочных схем;

10 – рабочие средства измерения.

измерения и соответствующим ему размером меры является основной погрешностью прибора;

-методом сличения показаний эталонов различных по точности или поверяемого прибора и рабочего эталона при измерении одной и той же величины. Разность показаний при измерении различных значений измеряемой величины определяет погрешность поверяемого прибора.

При определении фактической погрешности важным условием является установление оптимального соотношения погрешностей рабочего эталона и поверяемого СИ. Обычно соотношение принимают равным 1:3, когда при поверке вводят поправки на показания рабочих эталонов. Если же поправки не вводят, то рабочие эталоны выбирают исходя из соотношения 1:5. В общем случае она может лежать в интервале 1:2 – 1:10. Необходимая точность рабочих эталонов, а иногда и их типы, регламентируются ГОСТ на методы поверки СИ. Соотношение погрешностей устанавливается с учетом метода поверки, характера погрешностей и других факторов и может значительно отличаться от указанных выше значений. Кроме определения погрешности в поверку включают и другие операции, имеющие целью установить соответствие поверяемых средств требованиям ГОСТ и ТУ.

6.6 Стандартные образцы

В ряде случаях при производстве физико-химических измерений средством повышения эффективности поверочных работ является применение стандартных образцов (СО). Работа с СО проводится на основании ГОСТ 8.315-97 «ГСИ. Стандартные образцы состава и свойств веществ и материалов. Основные положения». По этому документу стандартный образец состава и свойств веществ и материалов – это средство измерений в виде вещества, состав или свойство которого установлены в результате метрологической аттестации. По метрологическому назначению они выполняют роль однозначных мер, могут применяться в качестве рабочих эталонов и входить в Государственную поверочную схему.

Стандартные образцы служат для обеспечения единства и требуемой точности измерений посредством:

-градуировки, метрологической аттестации, поверки и калибровки СИ;

-метрологической аттестации методик выполнения измерений;

-контроля показателей точности измерений;

-измерения физических величин, характеризующий состав или свойства веществ и материалов методом сравнения.

СО в отличие от привычных мер имеют ряд особенностей. Образцы состава воспроизводят значения единиц физической величины (ФВ), характеризующих состав или свойства именно из того материала, из которого они изготовлены. СО реализуются обычно в виде части однородного вещества, причем эта часть является полноценным носителем воспроизводимой единицы ФВ. Однородность материала образца имеет принципиальное значение, а для меры такая характеристика является второстепенной.

СО в отличие от мер подвержены влиянию неинформативных параметров (примесей, структуры материала и т.п.). При применении СО необходимо учитывать их влияние.

В зависимости от аттестуемой характеристики различают:

-стандартные образцы состава, воспроизводящие значения ФВ, характеризующих содержание определенных компонентов (химических элементов, изотопов и т.п.);

-стандартные образцы свойств, воспроизводящие значения величин, характеризующих физические, химические, технические или другие свойства вещества, за исключением величин, характеризующих состав.

Каждый стандартный образец подлежит утверждению. Уровень утверждения определяется сферой действия или областью применения. По этим признакам СО подразделяются на межгосударственные (МСО), государственные (ГСО), отраслевые (ОСО) и стандартные образцы предприятий (СОП). СО, включенным в поверочные схемы, присваиваются разряды.

Тип СО – это классификационная группировка образцов, изготовленных из одного вещества по единой документации. Типы применяются после их утверждения и регистрации в реестре. Каждый тип СО имеет срок годности и метрологические характеристики:

-аттестованное значение – значение аттестованной характеристики образца, им воспроизводимое, установленное при его аттестации и приводимое в паспорте с указанием погрешности;

-погрешность аттестованного значения – разность между аттестованным и истинным значениями величины, воспроизводимым образцом;

-характеристика однородности – свойство образца, выражающегося в постоянстве воспроизводимой величины по всему объему;

-характеристика стабильности – свойство образца сохранять значения метрологических характеристик в течение срока годности при соблюдении условий хранения;

-функции влияния – зависимость метрологических характеристик образца от внешних влияющих величин в заданных условиях применения.

СО применяется в соответствии с требованиями нормативно-технических документов на методы измерения, испытания, контроля, поверки и градуировки средств измерений; аттестованных методик выполнения измерений; государственных, ведомственных и локальных поверочных схем.

Российская система калибровки и примеры рисунков поверительных и калибровочных клейм приведены в приложениях 6, 7, 8, 9, 10.

7. Метрологические характеристики средств измерения и их нормирование

Метрологические характеристики – это характеристики свойств средств измерения, оказывающие влияние на результат измерения и его погрешности.

Характеристики, установленные нормативно-техническими документами, называются нормируемыми, а определяемые экспериментально – действительными..

С помощью метрологических характеристик (МХ) можно определить результаты измерений и рассчитать оценку инструментальной составляющей погрешности измерения; рассчитать метрологическую характеристику измерительных каналов; произвести оптимальный выбор средств измерения, обеспечивающих качество измерения; сравнивать различные средства измерения с учетом условий применения.

Решение этих задач возможно при наличии однозначной связи между нормируемыми характеристиками и инструментальной погрешностью

А_и = f(Мх) (14)

где А_и- инструментальная составляющая погрешности;

Мх – нормируемая метрологическая характеристика.

Нормирование метрологических характеристик должно проводится на основании одной теоретической базы. Выражение их должно быть в таком виде, чтобы можно было решать практические задачи и осуществлять контроль средств измерения на соответствие этим характеристикам. Нормируемые метрологические характеристики должны обеспечить возможность статистического объединения (суммирования) составляющих инструментальной погрешности.

Нормируемые МХ должны обладать свойством инвариантности к условиям применения СИ и отражать только его свойства. Выбор МХ должен позволить пользователю рассчитывать по ним характеристики СИ в условиях реальной эксплуатации.

В нормативно-технической документации приводятся нормированные МХ, относящиеся ко всей совокупности СИ данного типа.

Нормируемые метрологические характеристики можно представить в виде следующей классификации:

1.МХ для определения результатов измерений:

- функция преобразования;

- значения меры;

- цена деления;

- кодовые характеристики.

2. МХ погрешностей средств измерений:

- систематическая составляющая;

- случайная составляющая и ее доверительная вероятность;

- вариация выходного сигнала СИ;

- погрешности СИ;

- функция распределения погрешностей.

3. МХ чувствительности средств измерений к влияющим факторам:

- функция влияния;

- изменение МХ при изменении влияющих величин.

4. Динамические характеристики средств измерений:

- полные (переходная, импульсная переходная, амплитудно-фазовая, амплитудно- и фазочастотные, передаточные функции);

частные (время реакции, постоянная времени, максимальная частота и др.).

5. МХ влияния на погрешность:

- входное полное сопротивление (импеданс);

- выходное полное сопротивление (импеданс);

- неинформативные параметры выходного сигнала.

Функция преобразования нормируется для измерительных преобразователей и приборов с неименованной шкалой или со шкалой, отградуированной в единицах, отличных от измеряемой величины. Она задается в виде формулы, таблицы или графика. При использовании значения меры нормируются номинальные или индивидуальные значения и используются для устройств, применяемых в качестве меры. Нормирование цены деления шкалы производят для показывающих приборов с равномерной шкалой, функция преобразования которой отображается на именованной шкале. При неравномерной шкале нормируется минимальная цена деления. Характеристики цифрового кода, к которым относятся вид выходного кода, число его разрядов, цена единицы младшего разряда, нормируются для цифровых приборов.

Метрологические характеристики погрешностей средств измерений описывают погрешности, обусловленные собственными свойствами СИ в нормальных условиях эксплуатации. Их суммарное значение образуют основную погрешность СИ.

Характеристики систематической составляющей погрешности отражают свойства всех СИ данного типа и описываются или значением систематической составляющей D_с, или значением систематической составляющей, ее математическим ожиданием М_с[D_с] и средним квадратичным отклонением s [D_с]. Последние две величины нормируют, если можно пренебречь их изменением во времени или под влиянием других величин.

Характеристики систематической составляющей нормируются путем установления пределов допускаемой систематической погрешности

D_сн = М_с[D_с] + К_р s [D_с], (15)

где К_р – коэффициент, определяемый законом распределения погрешности и принятым значением доверительной вероятности. Могут также нормироваться М_с[D_с] и s [D_с].

Характеристики случайной составляющей погрешности D_oотражают свойства самого средства измерения, а не совокупности одного типа. Они представляют случайный процесс и описываются или средним квадратичным отклонением, или СКО совместно с автокорреляционной функцией r_D(D) или функцией спектральной плотности S(w).

Характеристики случайной составляющей нормируются путем установления пределов допускаемого СКО. Возможно нормирование номинальной автокорреляционной функции или номинальной спектральной плотности.

Характеристика случайной составляющей вариации (от гистерезиса). Под вариацией понимают изменение выходного сигнала СИ при прямом и обратном изменении входного сигнала по скорости и направлении.

Характеристика случайной составляющей погрешности вариации нормируется путем установления предела Н_о допускаемой вариации выходного сигнала СИ.

Если известны нормированные значения характеристик составляющих инструментальной погрешности М_с[D_с], s [D_с], s[D_o] и Н_о, то пределы основной погрешности с заданной вероятностью для любого СИ определятся

, (16)

где k – коэффициент, зависящий от доверительной вероятности.

Дата добавления: 2016-01-04; просмотров: 11; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 7 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!