Метрология, стандартизация и сертификация

Косвенные измерения отличаются от прямых тем, что искомое значение устанавливают по результатам прямых измерений таких величин, которые связаны с искомой определенной функциональной зависимостью. Так, если в данной электрической цепи измерить силу тока амперметром, а напряжение вольтметром, то по известной функциональной зависимости можно определить мощность этой электрической цепи.

Совокупные измерения основываются на решении системы уравнений, составляемых по результатам одновременных измерений нескольких одноименных величин. Для вычисления искомой величины число уравнений должно быть не меньше числа величин.

Совместные измерения — это одновременное измерение двух или нескольких неодноименных физических величин для определения зависимости между ними.

Совокупные и совместные измерения часто применяют при измерениях различных параметров и характеристик в электротехнике.

Динамические измерения связаны с такими величинами, которые изменяют свой размер во времени. Например, измерение мгновенного значения переменного тока или напряжения.

По числу измерений величины различают на однократные  многократные измерения.

Однократные измерения — это когда одно измерение соответствует одной величине, т. е. число измерений равно числу измеряемых величин. Такой вид измерений всегда сопряжен с большими погрешностями, поэтому, как правило, проводят не менее трех однократных измерений и находят конечный результат как среднее арифметическое значение.

Многократные измерения — это когда число измерений превышает число измеряемых величин. В этом случае минимальное число измерений больше трех. Преимуществом многократных измерений является значительное снижение влияния случайных факторов на погрешность измерения (иногда этот вид измерений называют статистическим).

По характеру результата измерения делятся на абсолютные, относительные и допусковые (пороговые).

Абсолютными измерениями называют такие, при которых используют прямое измерение одной (иногда нескольких) основной величины и значение физической константы. Так, в формуле Эйнштейна Е= тс масса (т) — основная физическая величина, которая может быть измерена прямым путем (взвешиванием), а скорость света (с) — физическая константа.

Относительные измерения — это установление как относится измеряемая величина к одноименной величине, применяемой качестве единицы. Искомое значение зависит от используемой единицы измерения.

Па условиям измерения делятся на равноточные и неравноточные.

Неравноточными измерениями называют такие, при которых измерения одной и той же физической величины выполняются различными исследователями, разными приборами, в различных условиях и с различной точностью.

Виды средств измерений  

Для измерения физической величины применяют технические средства, которые называются средствами измерений.

Средство измерения — это техническое средство, предназначенное для измерения, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимается неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени. Средства измерения — это основа метрологического обеспечения, они имеют нормированные погрешности.

Средства измерения основаны на использовании различных физических эффектов, например, пьез и термоэлектрические, эффекты Холла и Фарадея, фотоэлектрические и др.

К средствам измерений относятся: меры, измерительные преобразователи, приборы, системы и установки, принадлежности.

Мера — это средство измерения, предназначенное для воспроизведения или хранения физической величины заданного размера, например, гири, концевые меры длин и др.

На практике используют однозначные меры, которые воспроизводят величину только одного размера (например гиря); многозначные меры, когда воспроизводят несколько размеров физической величины (например, длину объекта в миллиметрах или сантиметрах); набор мер (например, набор гирь) и магазин мер, где меры объединены в одно целое с возможностью путем переключения устройств, связанных с возможностью отсчета, соединять меры в нужном сочетании (например, магазин электрических сопротивлений).

К однозначным мерам относятся стандартные образцы и стандартные вещества.

Стандартный образец — это образец вещества (материала), который аттестуется с количественными значениями величин, характеризующими свойства или состав этого вещества (материала).

При пользовании мерами учитывают их номинальное и действительное значение, ее погрешность и разряд. Номинальное значение указывается на мере, действительное — в специальном свидетельстве. Действительное значение меры определяется на основании высокоточного измерения с помощью официального эталона. Разность между действительным и номинальным значениями меры называется погрешностью меры. При аттестации (поверке) тоже могут быть погрешности, поэтому меры подразделяют на разряды (первый, второй и т. д.), а сами меры называются разрядными эталонами (образцовыми измерительными средствами), которые используют для поверки измерительных средств.

Измерительный преобразователь — это техническое средство, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Основной метрологической характеристикой измерительного преобразователя считается соотношение между входной и выходной величинами, которое называется функцией преобразования. К измерительным преобразователям относятся термопары, измерительные трансформаторы и усилители, преобразователи давления. Не следует отождествлять измерительные преобразователи с преобразовательными элементами, например, трансформатор не имеет метрологических характеристик.

Первичные преобразователи непосредственно воспринимают информацию об измеряемой величине; передающие — преобразуют информацию в форму, удобную для ее регистрации или передачи на расстояние; промежуточные преобразователи работают как первичные или передающие, так и в их сочетании, не изменяя вид физической величины.

Измерительные приборы — средства измерений, предназначенные для переработки сигнала измерительной информации в другие формы, доступные для непосредственного восприятия наблюдателем. Различают приборы прямого действия и приборы сравнения.

Приборы прямого действия отображают измеряемую величину на показывающем устройстве, имеющем градуировку в соответствующих единицах физической величины, например, амперметры, вольтметры и т. п.

Приборы сравнения (компараторы) сравнивают измеряемые величины с величинами, значения которых известны, например, электроизмерительные потенциометры.

Измерительные системы и установки — это совокупность функционально объединенных автоматизированных или автоматических средств измерения, предназначенных для измерения одной или нескольких физических величин объекта измерений.

Измерительные принадлежности — вспомогательные средства, используемые для обеспечения необходимых условий чтобы выполнить измерения с требуемой точностью. Например, психрометр используется при измерении параметра объекта, если оговаривается влажность окружающей среды.

По метрологическому назначению средства измерений делятся на рабочие средства измерения и эталоны.

По способу отсчета измеряемой величины средства как правило, делятся на показывающие (например, аналоговые и цифровые) и регистрирующие (бумажная или магнитная лента).

1.5.       Методики выполнения измерений

Методики выполнения измерений (МВИ) как метрологический объект появились в 1972 г. При разработке Государственной системы обеспечения качества измерений оказалось недостаточно иметь средства измерений, характеристики которых удовлетворяют традиционным требованиям, так как погрешность измерения часто зависит от методики измерения: погрешности метода; погрешности, возникающей при отборе и приготовлении пробы; условий измерений и многое др.

МВИ — это документированная совокупность операций и правил, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с гарантированной точностью в соответствии с принятой методикой.

В МВИ разработчиком под персональную ответственность прописаны определенные численные значения погрешности измерений, которые гарантируются при выполнении всех требований документа.

Из этого следует, что априорно существуют разные характеристики погрешности измерений, из которых разработчику придется выбирать наиболее подходящую. Совокупность операций и правил, обеспечивающая получение результатов измерений с известной погрешностью подчеркивает два важных признака: МВИ представляет собой описание операций и в МВИ назначается погрешность измерения.

Разработку МВИ выполняют на основе исходных данных, которые включают в себя следующее:

• назначение, где указывается область применения, наименование измеряемой величины и ее характеристики, а также характеристики объекта измерений, если они могут влиять на погрешность измерений;

• требования к погрешности измерений;

• условия измерений, заданные в виде номинальных значений и (или) границ диапазонов возможных значений влияющих величин;

• вид индикации и формы представления результатов измерений;

• требования к автоматизации измерительных процессов;

• требования к обеспечению безопасности выполняемых работ;

• другие требования, если в них есть необходимость.

Аттестация МВИ представляет собой установление и подтверждение соответствия МВИ предъявляемым к ней метрологическим требованиям. Современная трактовка термина фиксирует не только определение метрологических характеристик, но и установление пригодности средств измерений к использованию по назначению.

Аттестацию осуществляют путем метрологической экспертизы документации, теоретических или экспериментальных исследований МВИ. Аттестованные МВИ подлежат метрологическому надзору и контролю.

Из определения следует, что МВИ представляет собой технологический процесс измерения. В связи с этим не стоит смешивать МВИ и документ на МВИ. Так как не все методики описаны соответствующим документом. Для измерений, проводимых с помощью простых показывающих приборов, не требуется особых документированных МВИ. В этих случаях достаточно в нормативной документации указать тип и основные метрологические характеристики средств измерений.

Аттестация, как обязательная процедура, применяется для МВИ, используемых в сферах распространения государственного метрологического контроля и надзора, а также для контроля состояния сложных технологических систем. Другие МВИ подвергают аттестации в соответствии с порядком, принятым в ведомстве или на предприятии.

Методы измерений можно классифицировать по различным признакам. Для общеметрологического анализа важными являются традиционные классификации, основанные на следующих признаках:

                    физический принцип, положенный в основу измерения;

                    режим взаимодействия средства измерений с объектом;

                    вид применяемых средств измерений;

                    вид хранителя единицы физической величины и характер измерительных операций.

По первому признаку все методы измерений делятся на электрические, магнитные, акустические, оптические и т.д. По режиму взаимодействия их можно разделить на статические и динамические, контактные и бесконтактные методы. По виду применяемых средств измерений - на аналоговые и цифровые.

По последнему признаку выделяют следующие основные методы измерений :

                    метод отклонений:

o                                              простой метод отклонений;

o                                              дифференциальный метод отклонений;

                    нулевой метод:

o                                              компенсационный метод;

o                                              метод замещения.

Конкретному методу измерений соответствуют определенные измерительные действия, структура построения измерительной системы, а также алгоритм определения результата измерения.

Рассмотрим структуры измерительных систем, реализующие перечисленные методы измерения. Примеры систем изображены на рисунках

Этому методу соответствует измерительное уравнение вида:

x = y[X],

где x - измеряемая величина; y - числовое значение величины; [X] - единица

физической величины.

В компенсационном методе сравнение x и xэт ведется непосредственно и одновременно.

1.6.       Характеристики средств измерений

Средства измерений, утвержденные Госстандартом России, регистрируются в государственном Реестре средств измерений, удостоверяются сертификатами соответствия и только после этого допускаются для применения на территории Российской Федерации.

Перечень средств измерений разбит по видам измерений на 13 групп в соответствии с «Кодификатором групп средств измерений МИ 2314-00»..

• измерения геометрических величин;

• измерения механических величин;

• измерения параметров потока, расхода, уровня объема веществ;

• измерения давления, вакуумные измерения;

• измерения физико-химического состава и свойств веществ;

• измерения времени и частоты;

• измерения электротехнических и магнитных величин;

• радиотехнические и радиоэлектронные измерения;

• измерения характеристик ионизирующих и ядерных констант;

• виброакустические измерения;

• оптические и оптико-физические измерения;

• средства измерений медицинского назначения;

• теплофизические и температурные измерения.

В справочных изданиях принята следующая структура описания средств измерений: регистрационный номер, наименование, номер и срок действия сертификата об утверждении типа средства измерения, местонахождение изготовителя и основные метрологические характеристики. Последние оценивают пригодность средств измерений к измерениям в известном диапазоне с известной точностью.

Метрологические характеристики средств измерений обеспечивают:

• возможность установления точности измерений;

• достижение взаимозаменяемости и сравнение средств измерений между собой;