2020-04-20
90
Старооскольский технологический институт им. А.А. УГАРОВА
(филиал) федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования
«Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
Кафедра автоматизированных
и информационных систем управления
Молодых А.В.
МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
для обучающихся направления подготовки
13.03.02 Электроэнергетика и электротехника
профиль: «Электропривод и автоматика»
(для всех форм обучения)
Квалификация выпускника – бакалавр
Одобрено редакционно-издательским советом СТИ НИТУ «МИСиС»
Старый Оскол
2019
УДК [006.91+006.1](075.8)
ББК 30.10
M755
Рецензент: Директор ООО «Технологии АЭК» Старокожев А.И.
Метрология, стандартизация и сертификация: учебное пособие / Молодых А.В. – Старый Оскол: СТИ НИТУ «МИСиС», 2019. – 1 с.
Учебное пособие по дисциплине «Метрология, стандартизация и сертификация» для обучающихся направления подготовки 13.03.02 Электроэнергетика и электротехника, профиль программы «Электропривод и автоматика», для всех форм обучения.
|
|
|
Пособие предназначено для оказания помощи студентам в самостоятельном освоении дисциплины, содержит краткое изложение необходимого теоретического материала, а также примеры решения задач, иллюстрирующих применение теоретических положений. В конце каждого раздела приведён перечень контрольных вопросов для самоконтроля обучающихся.
© Молодых А.В.
© СТИ НИТУ «МИСиС»
СОДЕРЖАНИЕ
Введение.................................................................................................................................... 5
1. Основные понятия метрологии.......................................................................................... 6
1.1. Понятие метрологии................................................................................................. 6
1.2. Физические величины и их свойства..................................................................... 6
1.3. Измерения, их характеристики................................................................................ 8
1.4. Условия измерений................................................................................................... 9
1.5. Шкалы измерений................................................................................................... 10
1.6. Классификация измерений..................................................................................... 11
1.7. Методы измерений.................................................................................................. 12
1.8. Средства измерений................................................................................................ 13
1.9. Классификация погрешностей............................................................................... 14
1.10. Классы точности средств измерений.................................................................. 16
Контрольные вопросы................................................................................................... 18
|
|
|
2. Основы теории погрешностей.......................................................................................... 21
2.1. Обнаружение и исключение систематических погрешностей.......................... 21
2.2. Методы компенсации систематических погрешностей в процессе измерения 25
2.3. Математическое описание случайных погрешностей........................................ 29
2.4. Численные характеристики законов распределения. Моменты........................ 30
2.5. Нормальный закон распределения случайной погрешности............................. 31
2.6. Равномерный закон распределения случайной погрешности............................ 35
2.7. Треугольный закон распределения случайной погрешности (закон Симпсона) 36
2.8. Оценки результатов и погрешностей измерений................................................ 38
2.9. Идентификация законов распределения случайных погрешностей. Критерии согласия 40
Контрольные вопросы................................................................................................... 43
3. Обработка результатов измерений................................................................................... 46
3.1. Правила записи результатов и погрешностей измерений.................................. 46
3.2. Обработка результатов прямых измерений с многократными наблюдениями 46
3.3. Обработка результатов прямых однократных измерений.................................. 56
3.4. Обработка результатов косвенных измерений.................................................... 60
3.5. Частные случаи косвенных измерений................................................................. 66
3.6. Обработка результатов совместных измерений................................................... 68
Контрольные вопросы................................................................................................... 73
4. Законодательная метрология............................................................................................. 75
4.1. Метрологическое обеспечение.............................................................................. 75
4.2. Эталоны.................................................................................................................... 76
4.3. Метрологические службы...................................................................................... 79
4.4. Государственное регулирование в области обеспечения единства измерений (Государственный метрологический контроль и надзор).......................................... 83
4.5. Поверка и калибровка средств измерений........................................................... 84
4.6. Правовые основы обеспечения единства измерений.......................................... 86
Контрольные вопросы................................................................................................... 87
5. Стандартизация.................................................................................................................. 88
5.1. Основные понятия стандартизации...................................................................... 88
5.2. Цели стандартизации.............................................................................................. 89
5.3. Принципы стандартизации.................................................................................... 90
5.4. Документы в области стандартизации.................................................................. 90
5.5. Виды стандартов..................................................................................................... 91
5.6. Методы стандартизации......................................................................................... 92
5.7. Комплексы стандартов........................................................................................... 95
5.8. Обозначение стандарта........................................................................................... 96
5.9. Единая система конструкторской документации (ЕСКД).................................. 97
5.10. Технические условия............................................................................................ 98
5.11. Разработка, обновление и отмена национального стандарта........................... 98
5.12. Государственное управление стандартизацией в РФ....................................... 99
5.13. Международные организации по стандартизации.......................................... 100
Контрольные вопросы................................................................................................. 100
6. Подтверждение соответствия (сертификация).............................................................. 102
6.1. Основные понятия в области подтверждения соответствия............................ 102
6.2. Цели подтверждения соответствия..................................................................... 102
6.3. Принципы подтверждения соответствия........................................................... 103
|
|
|
6.4. Формы подтверждения соответствия.................................................................. 104
6.5. Добровольное подтверждение соответствия...................................................... 104
6.6. Обязательное подтверждение соответствия....................................................... 104
6.7. Организация сертификации в РФ....................................................................... 105
6.8. Сертификат соответствия..................................................................................... 106
6.9. Аккредитация органов по сертификации и испытательных лабораторий..... 107
6.10. Системы и схемы сертификации....................................................................... 108
Контрольные вопросы................................................................................................. 109
Перечень использованных источников............................................................................. 110
ВВЕДЕНИЕ
Учебное пособие по дисциплине «Метрология, стандартизация и сертификация» предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки бакалавриата 13.03.02 Электроэнергетика и электротехника, очной и заочной форм обучения. Основной целью данного учебного пособия является оказание помощи студентам в самостоятельном освоении материала курса. Пособие содержит основные теоретические разделы, необходимые для освоения дисциплины, примеры решения задач, а также контрольные вопросы для самопроверки.
В результате освоения дисциплины «Метрология, стандартизация и сертификация» обучающиеся должны:
знать: основные закономерности измерений, влияние качества измерений на качество конечных результатов метрологической деятельности, методы и средства обеспечения единства измерений; организацию и техническую базу метрологического обеспечения предприятия, методы и средства поверки (калибровки) средств измерений, методики выполнения измерений; законодательные и нормативные правовые акты, методические материалы по метрологии, стандартизации и сертификации; систему государственного надзора и контроля над единством измерений, стандартами и техническими регламентами; порядок разработки, утверждения и внедрения стандартов, технических условий и другой нормативно-технической документации; методы и средства, организацию и технологию стандартизации и сертификации продукции;
|
|
|
уметь: метрологически и технически правильно выбирать и применять контрольно-измерительную технику для контроля качества продукции и метрологического обеспечения продукции и технологических процессов; использовать компьютерные технологии для планирования и проведения работ по метрологии, стандартизации и сертификации; применять методы и средства поверки (калибровки) и юстировки средств измерения; разрабатывать методики выполнения измерений, испытаний и контроля; применять методы унификации, симплификации и расчёта параметрических рядов при разработке нормативно-технической документации
владеть: навыками проведения измерений, обработки их результатов и оценки достигнутой точности; навыками выполнения работ по сертификации продукции, процессов и систем качества.
Материал учебного пособия соответствует действующим в настоящее время законам (Федеральные Законы «Об обеспечении единства измерений» и «О техническом регулировании») а также иным нормативно-правовым актам, стандартам и т. п.
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ МЕТРОЛОГИИ
1.1. Понятие метрологии
Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства, и способах достижения требуемой точности [1].
В метрологии принято выделять три раздела (отрасли): теоретическую, законодательную и практическую (прикладную) метрологию.
Теоретическая метрология – раздел, предметом которого является разработка фундаментальных основ метрологии.
Законодательная метрология – раздел метрологии, предметом которого является установление обязательных технических и юридических требований по применению единиц физических величин, эталонов, методов и средств измерений, направленных на обеспечение единства и необходимой точности измерений в интересах общества.
Практическая (прикладная) метрология – раздел метрологии, предметом которого являются вопросы практического применения разработок теоретической метрологии и положений законодательной метрологии.
1.2. Физические величины и их свойства
Физическая величина (ФВ) – одно из свойств физического объекта (физической системы, явления или процесса), общее в качественном отношении для множества физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них.
Физические величины можно классифицировать следующим образом [2]:
1. По видам явлений:
· энергетические (активные) – величины, описывающие характеристики процессов преобразования, передачи и использования энергии (электрический ток, электрическое напряжение, мощность); они могут быть преобразованы в сигналы измерительной информации без вспомогательных источников энергии.
· вещественные (пассивные) – величины, описывающие физические и физико-химические свойства веществ, материалов и изделий из них (электрическое сопротивление, электрическая ёмкость, индуктивность); для их измерения необходим вспомогательный источник энергии.
· характеризующие временные процессы (спектральные характеристики, корреляционные функции).
2. По принадлежности к различным группам физических процессов:
· пространственно-временные;
· механические;
· тепловые;
· электрические;
· магнитные;
· акустические;
· физико-химические;
· ионизирующих излучений;
· световые;
· атомной и ядерной физики.
3. По степени условной независимости от других величин данной группы:
· основные физические величины – физические величины, входящие в систему величин и условно принятые в качестве независимых от других величин данной системы;
· производные физические величины – физические величины, входящие в систему величин и определяемые через основные величины этой системы;
· дополнительные физические величины – физические величины, которые нельзя по каким-либо причинам отнести ни к основным, ни к производным величинам.
В международной системе единиц SI в качестве основных физических величин приняты [3]: длина (L), масса (M), время (T), сила электрического тока (I), температура (Q), количество вещества (N), сила света (J); остальные физические величины относятся к производным.
Производными величинами являются, например, скорость v, определяемая уравнением 
, где l – путь, t – время; или сила определяемая уравнением 
, где m – масса, a – ускорение.
4. По наличию размерности:
· размерные физические величины – физические величины, в размерностях которых хотя бы одна из основных физических величин возведена в степень, не равную нулю;
· безразмерные физические величины – физические величины, в размерность которых основные физические величины входят в степени, равной нулю.
Размерность физической величины – выражение в форме степенного одночлена, составленного из произведений символов основных физических величин в различных степенях и отражающее связь данной физической величины с физическими величинами, принятыми в данной системе величин за основные с коэффициентом пропорциональности, равным единице.
Размерность физической величины обозначается знаком dim и имеет общий вид LlMmTtIiQJNnJj, где L, M, T, I, Q, N, J – обозначения размерностей основных физических величин; l, m, t, i, J, n, j – соответствующие показатели степени. (Например, размерность скорости dim v = LT–1; размерность силы dim F = LMT–2).
Значение физической величины – выражение размера физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц.
Истинное значение физической величины – значение физической величины, которое идеальным образом характеризует в качественном и в количественном отношениях соответствующую физическую величину.
Истинное значение физической величины может быть соотнесено с понятием абсолютной истины. Оно может быть получено только в результате бесконечного процесса измерений с бесконечным совершенствованием методов и средств измерений.
Действительное значение физической величины – значение физической величины, полученное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному значению, что в поставленной измерительной задаче может быть использовано вместо него.
Измеренное значение физической величины – значение физической величины, полученное по отсчётному устройству средства измерений.
1.3. Измерения, их характеристики
Измерение физической величины – совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с её единицей и получение значения этой величины [1].
Метрологическая суть измерения сводится к основному уравнению метрологии (основной формуле измерения):
X = n [ x ], (1.1)
где: X – измеряемая величина;
[ x ] – единица измерения;
n – число, выражающее их количественное соотношение.
Результат измерения физической величины – значение физической величины, полученное путём её измерения.
Различают результаты измерения:
· неисправленные – полученные при измерении до введения в них поправок, учитывающих систематические погрешности;
· исправленные – уточнённые путём введения в них необходимых поправок на действие систематических погрешностей.
Погрешность результата измерения – отклонение результата измерения от истинного (действительного) значения измеряемой величины.
Точность результата измерений – одна из характеристик качества измерения, отражающая близость к нулю погрешности результата измерения.
Правильность результатов измерений – метрологическая характеристика, отражающая близость к нулю систематических погрешностей результатов измерений.
Сходимость результатов измерений – близость друг к другу результатов измерений одной и той же величины, выполненных повторно одними и теми же средствами, одним и тем же методом в одинаковых условиях и с одинаковой тщательностью.
Воспроизводимость результатов измерений – близость результатов измерений одной и той же величины, полученных в разных местах, разными методами, разными средствами, разными операторами, в разное время, но приведенных к одним и тем же условиям измерений (температуре, давлению, влажности и др.).
Достоверность измерений – степень доверия к результату измерения, характеризуемая вероятностью того, что истинное значение измеряемой величины находится в указанных пределах.
Достоверными, как правило, измерения называются, если известны вероятностные характеристики отклонений их результатов от истинного значения измеряемой величины.
1.4. Условия измерений
Условия измерений – совокупность влияющих величин, описывающих состояние окружающей среды и средства измерений [1].
Влияющая величина – физическая величина, оказывающая влияние на размер измеряемой величины и (или) результат измерений (но непосредственно не измеряемая). (Например, при измерении электрического сопротивления металлического проводника влияющей величиной будет являться температура).
Нормальные условия измерений – условия измерения, характеризуемые совокупностью значений или областей значений влияющих величин, при которых изменением результата измерений пренебрегают вследствие малости.
Нормальные условия измерений устанавливаются в нормативных документах на средства измерений конкретного типа или по их поверке (калибровке).
Рабочие условия измерений – условия измерений, при которых значения влияющих величин находятся в пределах рабочих областей, т.е. в областях значений, в пределах которых нормируют дополнительные погрешности или изменения показаний средства измерений.
Предельные условия измерения – условия измерений, характеризуемые экстремальными значениями измеряемой и влияющих величин, которые средство измерений может выдержать без разрушений и ухудшения его метрологических характеристик.
1.5. Шкалы измерений
Шкала физической величины – упорядоченная совокупность значений физической величины, служащая исходной основой для измерений данной величины [1].
Различают следующие типы шкал:
· Шкала наименований – шкала, в которой каждому объекту присваивается имя (обозначение). Пример шкалы наименований – позиционные обозначения элементов электрической схемы;
· Шкала порядка – шкала, в которой составляющие её числа упорядочены по рангам, но интервалы между ними точно не определены. По шкале наименований объекты могут сравниваться по принципу «больше – меньше». Примеры – шкала интенсивности землетрясений Рихтера, шкала силы ветра Бофорта, шкала твёрдости минералов Мооса;
· Шкала интервалов – шкала, имеющая условное нулевое значение и установленную по согласованию единицу измерения. Результаты измерений по шкале интервалов можно складывать и вычитать. Пример – температурные шкалы Цельсия, Фаренгейта, Реомюра;
· Шкала отношений – шкала интервалов с естественным началом отсчёта. Над результатами измерений по шкале отношений можно выполнять все четыре арифметических действия. Пример – температурная шкала Кельвина;
· Абсолютная шкала – разновидность шкалы отношений с естественной единицей измерения. Пример – шкала КПД.
1.6. Классификация измерений
Измерения можно классифицировать различными способами.
1. По способу нахождения искомого значения:
· Прямое измерение – измерение, при котором искомое значение физической величины получают непосредственно (по показаниям средства измерений). (Например, изменение длины детали микрометром, силы электрического тока амперметром, массы на весах).
· Косвенное измерение – измерение, при котором искомое значение физической величины определяют расчётом на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной. (Например, определение плотности вещества по результатам измерения его объёма и массы).
· Совместные измерения – проводимые одновременно измерения двух или нескольких не одноимённых величин для определения зависимости между ними.
· Совокупные измерения – проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин определяют путём решения системы уравнений, получаемых при измерениях этих величин в различных сочетаниях [1].
2. По количеству наблюдений:
· Однократное измерение (простое измерение) – измерение, выполненное один раз. К однократным относят измерения при числе наблюдений (отсчётов), не превышающем трёх;
· Многократное измерение (измерение с многократными наблюдениями), (статистическое) – измерение физической величины одного и того же размера, результат которого получен из нескольких следующих друг за другом измерений, т.е. состоящее из ряда однократных измерений. К многократным относят измерения при числе наблюдений (отсчётов), равным четырём и более.
3. По режиму работы средства измерений:
· Статическое измерение – измерение физической величины, принимаемой в соответствии с конкретной измерительной задачей за неизменную на протяжении времени измерения.
При статических измерениях зависимость показаний средства измерений от его инерционных свойств отсутствует или ею можно пренебречь.
· Динамическое измерение – измерение изменяющейся по размеру физической величины.
При динамических измерениях инерционностью средства измерений пренебречь нельзя.
4. По условиям измерений:
· Равноточные измерения – ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности средствами измерений в одних и тех же условиях с одинаковой тщательностью;
· Неравноточные измерения – ряд измерений какой-либо величины, выполненных различающимися по точности средствами измерений и (или) в разных условиях.
5. По форме представления результата измерения:
· Аналоговые измерения – измерения, при которых непрерывному изменению измеряемой величины соответствует непрерывное изменение результата измерений, а результат выражается в аналоговой форме. (Например, отклонение стрелки измерительного прибора);
· Цифровые измерения – измерения, при которых непрерывному изменению измеряемой величины соответствует дискретное изменение результата измерений, а результат выражается в цифровой форме. (Например, число на дисплее измерительного прибора).
1.7. Методы измерений
Метод измерений – приём или совокупность приёмов сравнения измеряемой физической величины с её единицей в соответствии с реализованным принципом измерений [1].
Принцип измерений – физическое явление или эффект, положенное в основу измерения. (Например, использование эффекта Зеебека при измерении температуры термопарой; использование закона Ома при измерении электрического сопротивления методом амперметра и вольтметра).
Все методы измерений принято подразделять на методы непосредственной оценки и методы сравнения (рис. 1.1).
Метод непосредственной оценки – метод измерений, при котором значение величины определяют непосредственно по показывающему средству измерений.
Метод сравнения (метод сравнения с мерой) – метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.
Среди основных разновидностей методов сравнения можно выделить следующие.
Рис.1.1. Классификация методов измерений
Нулевой метод (мостовой, компенсационный, метод полного уравновешивания) – метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводят до нуля. (Например, измерение электрического сопротивления мостом с полным его уравновешением).
Дифференциальный метод – метод измерений, при котором измеряемая величина сравнивается с однородной величиной, имеющей известное значение, незначительно отличающееся от значения измеряемой величины, и при котором измеряется разность между этими двумя величинами.
Метод замещения – метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают мерой с известным значением величины.
Метод совпадений – метод измерений, при котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, добиваясь совпадения отметок шкал или каких-либо периодических сигналов. (Например, использование шкалы-нониуса при измерении длины штангенциркулем).
1.8. Средства измерений
Средство измерений (СИ) – техническое средство, предназначенное для измерений и имеющее нормированные метрологические характеристики [1].
Метрологическая характеристика (МХ) – характеристика одного из свойств средства измерений, влияющая на результат измерений и на его погрешность.
