Стандартизация измерений

Основы метрологии

 

Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Как следует из определения, предметом метрологии помимо самих измерений является обеспечение их единства и требуемой точности. При этом под единством измерений понимают такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности измерений известны с заданной вероятностью.

Единство измерений необходимо для того, чтобы можно было сопоставлять результаты измерений, выполненных различными из­мерительными устройствами, в разных местах и в разное время. Причем сохранение единства измерений является важным как внутри страны, так и во взаимоотношениях между странами.

Ниже рассматривается ряд относящихся к измерениям понятий, используемых в настоящее время в метрологии и измерительной технике.

Физической величиной называют свойство физического объекта, которое можно выразить численно в соответствии с принятой для этого свойства единицей измерения.

Единица измерения физической величины — это физическая величина, которой, приписано числовое значение, равное единице. С целью обеспечения единства измерений существует международная система единиц СИ, общепринятая для большинства государств.

Измерение — это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Измерения обычно осуществляются на естественных или созданных человеком объектах, которые называют объектами измерений.

Физическую величину, которая выбрана для измерения, называют измеряемой величиной.

В результате измерения получают значение физической величины, которое представляет собой оценку физической величины в виде некоторого числа единиц, принятых для ее измерения.

Результат измерения величины Х можно записать в виде формулы, называемой основным уравнением измерения:

Х = А[Х]

где А — отвлеченное число, называемое числовым значением физической величины; [X] — единица физической величины.

Результат измерения — это значение физической величины, найденное путем ее измерения.

Значение физической величины представляет собой оценку этой величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц. Размер величины существует реально и остается неизменным. Числовое значение физической величины определяется принятой при измерении единицей этой величины, т.е. один и тот же размер может быть выражен различными числовыми значениями в зависимости от принятой единицы физической величины.

Различают истинное и действительное значения физической величины.

Истинное значение физической величины — значение физической величины, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта. Нахождение истинного значения физической величины является целью любого процесса измерения, однако достижение этой цели невозможно, поскольку каждое средство измерений обладает той или иной погрешностью. Поэтому значение величины, находимое в процессе измерения, называют действительным.

Действительное значение физической величины — значение физической величины, найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него.

Чтобы составить представление о выполненном или предполагаемом измерении, необходимо знать их виды, а также основные характеристики.

Измерения классифицируют по множеству признаков, мы рассмотрим наиболее важный из них.

В зависимости от вида уравнения измерения, в метрологии принято различать прямые и косвенные измерения;

Прямыми называют измерения, при которых искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных. В процессе прямого измерения объект измерения приводится во взаимодействие со средством измерений и по показаниям последнего отсчитывают значение измеряемой величины или указанные показания умножаются на постоянный коэффициент для определения значения измеряемой величины. Примером прямых измерений могут служить: измерение длины линейкой, массы с помощью весов, температуры стеклянным термометром и т. д. К прямым измерениям относят измерения подавляющего большинства параметров химико-технологических процессов.

Косвенными называют измерения, при которых искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. При косвенных измерениях путем прямых измерений находят значения величин-аргументов, а значение измеряемой величины определяют путем вычисления по формуле. Примером косвенных измерений могут служить измерения: плотности однородного тела по его массе и объему, электрического сопротивления по падению напряжения и силе тока и т. д.

В зависимости от места выполнения измерения, они подразделяются на лабораторные и промышленные;

Промышленные измерения проводятся на технологических объектах, на основе этих измерений делаются выводы о состоянии объекта и вырабатываются управляющие воздействия.

Лабораторные измерения проводятся в лабораториях с целью либо установления показателей качества сырья и продукции (в тех случаях, когда такие измерения нецелесообразно проводить на производстве), а также с исследовательскими целями.

В зависимости от процедуры выполнения во времени – на непрерывные и периодические;

Промышленные измерения в отрасли переработки нефти и газа, как правило, относятся к непрерывным. Для осуществления непрерывных измерений необходимо, чтобы все измерительные средства были установлены стационарно и постоянно осуществляли передачу измерительной информации.

К периодическим измерениям относятся контрольные измерения, целью которых является проверка показаний стационарных средств измерения, а также сложные измерения состава и показателей качества различных веществ. Периодические измерения можно осуществлять как с помощью стационарных средств измерения (например в лаборатории), так и с помощью переносных.

К характеристикам измерений относят принципы, методы и погрешности.

Принцип измерений — совокупность физических явлений, на которых основано измерение. Практически любую физическую величину можно измерять по нескольким различным принципам. От принципа измерений часто зависит диапазон показаний средства измерения, а зачастую и точность измерения.

Метод измерений — совокупность приемов использования принципов и средств измерений. Различные методы измерения на примере измерения массы:

а б в

Методы измерений:

а - метод непосредственной оценки; б - нулевой (компенсационный метод); в – дифференциальный метод.

Различают два основных метода измерений: метод непосредственной оценки и метод сравнения с мерой.

Метод непосредственной оценки — метод измерений, в котором значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора.

Метод сравнения с мерой — метод измерения, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой – то есть таким средством измерения которое предназначено для воспроизведения физической величины заданного размера (например гиря для воспроизведения определенной массы). В зависимости от способа сравнения можно выделить две разновидности метода: нулевой и дифференциальный.

Нулевой (компенсационный) метод — это метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия величин доводят до нуля. Устройство, при помощи которого фиксируется состояние равновесия между измеряемой и компенсирующей величинами, называется нуль-индикатором. Этот метод широко применяют на практике.

Дифференциальный метод — это метод сравнения с мерой, в котором на измерительный прибор воздействует разность между измеряемой величиной и известной, воспроизводимой мерой, которая и считывается со шкалы прибора.

Рассмотренные методы измерения проиллюстрированы на рис. 3.1 на примере определения массы с помощью различных весов.

Кроме того, выделяют еще два метода измерений: контактныйи бесконтактный. Контактный метод основан на том, что чувствительный элемент прибора приводится в контакт с объектом измерения. При использовании бесконтактного метода такой контакт отсутствует.

Погрешность (или ошибка) измерения — отклонение результата измерения X от истинного значения измеряемой величины:

Погрешность, определяемая этой формулой, выражена в единицах измеряемой величины и называется абсолютной погрешностью измерения.

Относительная погрешность измерения — погрешность, выраженная отношением абсолютной погрешности измерения к истинному значению измеряемой величины, %:

.

При определении абсолютной и относительной погрешностей, а также точности измерения вместо истинного значения физической величины Х_u реально может быть использовано ее действительное значение Х_д.

Приведенная погрешность измерения — погрешность, выраженная отношением абсолютной погрешности к нормирующему значению, %:

где X _N — нормирующее значение (обычно диапазон показаний или диапазон измерений).

Различают также основную и дополнительную погрешности средств измерения.

Основная погрешность – погрешность средства измерений, применяемого в нормальных условиях (температуре окружающего воздуха плюс 20 °С и атмосферном давлении 101,325 кПа).

Дополнительная погрешность – составляющая погрешности средства измерений, возникающая дополнительно к основной погрешности вследствие отклонения какой-либо условий эксплуатации от нормальных. В сумме эти погрешности образуют полную погрешность средства измерений.

Средство измерений – это техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические характеристики. Различают следующие виды средств измерений: меры, измерительные устройства, которые подразделяются на измерительные приборы и измерительные преобразователи; измерительные установки и измерительные системы.

Мера – это средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера.

Измерительный прибор – средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Измерительный преобразователь – средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем. Конструктивно обособленный первичный измерительный преобразователь, от которого поступают измерительные сигналы, называется датчиком.

В каждом измерительном преобразователе можно выделить две обособленные единицы преобразования. Первичный преобразователь – непосредственно воспринимает измеряемую величину и преобразует ее в некую измерительную информацию. При таком преобразовании, как правило, меняется род сигнала (температура преобразуется в электрический сигнал, давление – в усилие или перемещение). Тип первичного преобразователя определяет принцип измерения.

Полученный в первичном преобразователе сигнал поступает на вход передающего измерительного преобразователя, который служит для преобразования полученного сигнала в вид, удобный для передачи и дальнейшего использования. Передающий преобразователь обычно выбирают из соображений обеспечения необходимого диапазона выходного сигнала устройства, а также из соображений обеспечения нужных метрологических характеристик.

Измерительная установка – совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, предназначенных для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем и расположенная на одном месте.

Измерительная система – совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и использования в системах автоматического управления.

По метрологическому назначению, все средства измерений можно разделить на две большие группы: образцовые и рабочие.

Рабочее средство измерений — средство, применяемое для измерений, не связанных с передачей размера единиц. Рабочие средства измерений — это все измерительные приборы, преобразователи, измерительные установки и системы, применяемые во всех областях деятельности человека.

Образцовое средство измерений (мера, измерительный прибор, измерительный преобразователь) служит для поверки по нему других (как рабочих, так и образцовых меньшей точности) средств измерений и утверждено в качестве образцового.

Метрологическими характеристиками средств измерений называют параметры, влияющие на результат и погрешность измерения. К важнейшим метрологическим характеристикам относят вариацию и класс точности средств измерений.

Вариация показаний – разность показаний прибора в одной и той же точке диапазона измерений при плавном подходе к этой точке со стороны меньших и больших значений измеряемой величины (или, как говорят, на прямом и обратном ходу). Вариацию принято выражать в процентах:

Класс точности – обобщенная характеристика данного типа средств измерений, как правило, отражающая уровень их точности. Класс точности выражается предельной допускаемой основной приведенной погрешностью и указывается на шкале прибора и в его паспорте.

 

Стандартизация измерений

 

С целью обеспечения эффективной взаимосвязи между различными организациями, чья деятельность связана с измерениями различных величин (проектные организации, внедряющие организации, промышленные предприятия, как потребители средств измерения, организации, удостоверяющие точность и качество средств измерения и т.д.) необходимо создание единой системы правил, касающихся всех аспектов измерения различных величин. Иными словами, процесс измерений и оценки их результатов должен быть стандартизован.

Обеспечение единства измерений включает ряд технических и организационных мер, осуществляемых на государственном, отраслевом уровне и непосредственно на предприятии. В их числе установление единиц физических величин, создание эталонной базы, разработка единых поверочных схем, методик опенки погрешности измерений (испытаний), условий выполнения измерений и форм представления их результатов, аттестация и стандартизация методик выполнения измерений, организации надзора и ведомственного контроля над выполнением метрологических правил.

Эти задачи реализуются с помощью трех межотраслевых систем государственных стандартов – Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ), Государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП) и Единой системы стандартов приборостроения (ВССП).

Стандарты, входящие в государственную систему обеспечения единства измерений (ГСИ), регламентируют основные правила, нормы и положения в области обеспечения единства измерений, порядок утверждения и разработки эталонов физических единиц, требований к методикам и схемам поверки измерительных средств, их государственным испытаниям.

Основным нормативным документом, устанавливающим правовые основы обеспечения единства измерений в Российской Федерации, регулирующим отношения государственных органов управления с различными организациями по вопросам изготовления, выпуска, эксплуатации, ремонта, продажи и импорта средств измерений является «Федеральный закон об обеспечении единства измерений».

Закон устанавливает правовую базу обеспечения единства измерений, порядок государственного управления и компетенцию различных организаций, порядок проведения государственного контроля и надзора, порядок финансирования деятельности, направленной на обеспечение единства измерений, а также виду ответственности за нарушение положений данного закона.

Согласно закону об обеспечении единства измерений, основной организацией, осуществляющей управление деятельностью по обеспечению единства измерений в Российской Федерации, является Комитет Российской Федерации по стандартизации, метрологии и сертификации (Госстандарт России).

В ведении Госстандарта России находится Государственная Метрологическая служба, в состав которой входят региональные метрологические службы, а также метрологические службы различных предприятий, организаций и Государственных органов управления РФ.

Основой унификации единиц измерения является Международная система единиц СИ.

Одной из основных задач метрологической службы является своевременный контроль точности средств измерений, а также установление соответствия между показаниями измерительного прибора и значением физической величины, то есть своевременной поверкой и калибровкой средств измерений.

Поверка средств измерений - совокупность операций, выполняемых органами государственной метрологической службы (другими уполномоченными на то органами, организациями) с целью определения и подтверждения соответствия средства измерений установленным техническим требованиям. Поверка является обязательной операцией, контролируемой органами Государственной метрологической службы. Перечни групп средств измерений, подлежащих поверке, утверждаются Госстандартом России.

Поверка производится в поверочных лабораториях, являющихся органами метрологической службы. Специалист поверочной лаборатории, проводящий поверку тех или иных средств измерений, специально подготовленный к этому виду работ, называется поверитель. При проведении поверки, лаборатория обязана руководствоваться методикой поверки данного типа средств измерений, утверждаемой Госстандартом. Поверка обычно заключается в сличении показаний рабочего средства измерений с показаниями образцового. Для того, чтобы можно было проводить поверку необходимо обеспечить определенное соотношение между классом точности образцового и поверяемого средства измерений. Чем точнее поверяемое средство, тем точнее должен быть образцовый прибор, соответственно тем сложнее найти поверочную лабораторию, обладающую таким прибором, и тем выше стоимость поверки.

По результатам поверки поверочная лаборатория выдает 2 вида документов:

свидетельство о поверке удостоверяет то, что средство измерений прошло поверку и соответствует установленным требованиям, в этом случае также возможно нанесение поверительного клейма, на котором, в том числе, указывается дата проведения поверки;

справка о непригодности выдается в случае, если при поверке установлено, что поверяемое средство измерений не удовлетворяет установленным требованиям.

Периодическая поверка средств измерений, находящихся в эксплуатации или на хранении, выполняется через установленные межповерочные интервалы времени. Для каждого средства измерений Госстандартом устанавливается свой межповерочный интервал. По прошествии этого интервала, производится обязательная поверка, без которой средство измерения не допускается к эксплуатации. В особых случаях, если есть основания считать, что метрологические характеристики средства измерения были нарушены, проводится внеочередная поверка.

Обязательной поверке подлежат только средства измерений, применяемые в отраслях, находящихся под государственным метрологическим контролем. К таким отраслям относятся:

· здравоохранение, ветеринария, охрана окружающей среды, обеспечение безопасности труда;

· торговые операции и взаимные расчеты между покупателем и продавцом;

· банковские, налоговые, таможенные и почтовые операции;

· испытания и контроль качества продукции;

· измерения, проводимые по поручению органов суда, прокуратуры, арбитражного суда, государственных органов управления Российской Федерации;

· регистрация национальных и международных спортивных рекордов.

Средства измерений, не подлежащие поверке, могут подвергаться калибровке при выпуске из производства или ремонта, при ввозе по импорту, при эксплуатации, прокате и продаже. Калибровка - это добровольная функция, выполняемая либо метрологической службой предприятия, либо по его заявке любой другой организацией, способной выполнить работу. Калибровкой средств измерений занимаются практически на каждом промышленном предприятии.

В сферах распространения государственного метрологического контроля и надзора средства измерений подвергаются обязательным испытаниям с последующим утверждением типа средств измерений. Утвержденный тип средств измерений вносится в Государственный реестр средств измерений, который ведет Госстандарт России. Информация об утверждении типа средств измерений и решение о его отмене публикуется в официальных изданиях Госстандарта России.

Все средства измерений и устройства имеют унифицированные входные и выходные сигналы, перечень которых приведен в таблице.

Основные виды унифицированных входных сигналов ГСП.

Вид сигнала	Физическая величина	Параметры сигнала
Электрический	Сила постоянного тока	0-5; 0-20; -5-0-5; 4-20 мА
Напряжение постоянного тока	0-10; 0-20; –10-0-10 мВ; 0-10, 0-1; –1-0-1 В
Напряжение переменного тока	0-2; -1-0-1 В
Частота	2-8; 2-4 кГц
Пневматический	Давление	20-100 кПа
Гидравлический	»	0,1-6,4 МПа