Метрология, стандартизация и технические измерения

М.И. Бичурин, Ю.В. Килиба, Г.А. Семенов

Учебное пособие

Под редакцией Ю. В. Килибы

Великий Новгород

УДК 621.372.85 Печатается по решению

ББК 30.10 РИС НовГУ

Т38

Р е ц е н з е н т

доктор технических наук, профессор

ТТ38	Метрология, стандартизация и технические измерения: учеб. пособие / М.И. Бичурин, Ю.В. Килиба, Г.А. Семенов; под ред. Ю. В. Килибы; НовГУ им. Ярослава Мудрого. – Великий Новгород, 2013. – 219 с.

Рассматриваются основные понятия стандартизации, сертификации и метрологии, теория воспроизведения единиц физических величин и передачи их размеров, погрешности измерений, обработка результатов измерений, устройство и принципы работы измерительных приборов.

Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 210200 и специальности 210201. Рекомендуется для использования в учебном процессе по естественно-научным, техническим и экономическим специальностям при изучении тематики, связанной с измерениями и стандартизацией. Представляет интерес для широкого круга специалистов.

УДК 621.372.85

ББК 30.10

© Новгородский государственный

университет, 2013

© М.И. Бичурин, Ю.В. Килиба,

Г.А. Семенов, 2013

Оглавление

Введение. 6

Понятие об измерениях, как о физическом эксперименте. 8

Погрешность измерения. 8

Объект измерений. 9

Метрологические службы рф. 13

Глава 1. СТАНДАРТИЗАЦИЯ.. 16

1.1 Необходимость и преимущества стандартизации в современных рыночных условиях экономики. 17

1.2 Математические основы параметрической стандартизации. Ряды предпочтительных чисел. 19

1.3 Международная и региональная стандартизация. 21

1.4 Ведущие национальные институты по стандартизации. 26

1.5 Стандартизация в Российской Федерации. 28

1.6 Международные стандарты на системы обеспечения качества продукции 32

Глава 2. СЕРТИФИКАЦИЯ.. 34

2.1 Сертификация в Российской Федерации. 36

Глава 3. ИЗМЕРЕНИЯ.. 38

3.1 Виды измерений и контроля. 38

3.2 Классификация методов измерений, методики проведения измерений. 40

3.3 Поверочные схемы. 43

Глава 4. ПОГРЕШНОСТИ.. 47

4.1 Классификация погрешностей. 47

4.2 Систематические погрешности. 51

4.3 Случайные погрешности. 52

Глава 5. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СЛУЧАЙНЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ 54

5.1 Точечные оценки. 54

5.2 Интервальные оценки. 56

5.3Точечные оценки истинного значения измеряемой величины и среднего квадратического отклонения на основании ограниченного ряда наблюдений 59

5.4 Оценка с помощью интервалов. 62

5.5 Введение поправок. 65

Глава 6. СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ.. 68

6.1 Классификация средств измерений. 68

6.2 Характеристики средств измерений. 71

Глава 7. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ.. 75

7.1 Общие сведения. 75

7.2 Магнитоэлектрические приборы. 77

7.3 Электродинамические и ферродинамические приборы. 82

7.4 Электромагнитные приборы. 86

7.5 Электростатические приборы.. 89

7.6 Индукционные приборы.. 91

Глава 8. ИЗМЕРЕНИЕ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ.. 94

8.1 Амперметры средневыпрямленного и действующего значений. 96

8.2 Структурные схемы электронных вольтметров. 100

Глава 9. ЦИФРОВЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ.. 103

9.1 Помехи общего и нормального вида. 109

Глава 10. ИЗМЕРЕНИЕ ВРЕМЕННЫХ ИНТЕРВАЛОВ И ПЕРИОДА ПОВТОРЕНИЯ 111

10.1 Электронно-счетный измеритель временного интервала. 111

10.2 Измерение частоты.. 113

10.3 Электронно-счетный метод измерения частоты.. 114

Измерение частоты путем сравнения с образцовой. 115

10.4 Измерение частоты с помощью избирательных пассивных цепей 116

Глава 11. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ.. 118

11.1 Общие замечания. 118

11.2 Устройство и принцип действия осциллографа. 121

11.3 Анализаторы спектра. 126

Глава 12. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ КОМПОНЕНТОВ И ЦЕПЕЙ 129

12.1 Мостовые схемы для измерения параметров цепей. 129

12.2 Измерение параметров конденсаторов. 131

12.3 Резонансные схемы для измерения параметров цепей. 134

Измерение индуктивности и емкости. 136

Измерение емкости методом замещения. 137

12.4 Измерение добротности. Куметр. 142

Глава 13. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН 146

13.1 Параметрические измерительные преобразователи. 146

13.2 Генераторные измерительные преобразователи. 164

Глава 14. ШТРИХОВЫЕ МЕРЫ ДЛИНЫ.. 172

14.1 Эталонные штриховые меры длины.. 172

14.2 Образцовые штриховые меры длины.. 173

14.3 Рабочие штриховые меры и измерительные приборы.. 174

14.4 Плоскопараллельные концевые меры длины.. 177

14.5 Образцовые и рабочие концевые меры.. 178

14.6 Наборы концевых мер. 180

14.7 Принадлежности к концевым мерам. 183

Глава 15. ШТАНГЕНИНСТРУМЕНТ. 185

15.1 Принцип построения линейного нониуса. 185

15.2 Погрешности измерения штангенинструментом. 189

15.3 Микрометрические инструменты.. 190

15.4 Конструкция микрометрической головки. 190

15.5 Индикаторы часового типа и измерительные головки с зубчатыми механизмами 195

15.6 Рычажно-зубчатые измерительные головки. 197

Глава 16. ОПТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ.. 201

16.1 Оптиметры.. 201

16.2 Измерительные машины.. 204

16.3 Длиномеры.. 207

16.4 Катетометры.. 211

16.5 Сферометры.. 214

16.6 Инструментальные и универсальные микроскопы.. 215

Глава 17. ИЗМЕРЕНИЕ УГЛОВ, КАЛИБРЫ.. 218

17.1 Методы и средства измерения углов. 218

17.2 Калибры.. 223

Глава 18. ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ, ШЕРОХОВАТОСТИ.. 230

18.1 Органолептический метод. 232

18.2 Метод светового сечения. 232

18.3 Метод теневого сечения. 234

18.4 Измерение шероховатости поверхности интерференционными микроскопами 235

18.5 Контактные средства измерения шероховатости поверхности. 236

Глава 19. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ИЗМЕРЕНИЙ. ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ.. 239

Литература. 245

Введение

Рыночные экономические отношения и вступление РФ во Всемирное торговое общество определили новые условия для деятельности предприятий и организаций на внутреннем и внешнем рынках.

Резко возросли требования к качеству продукции, работ и услуг. Инструментом обеспечения высокого качества продукции, работ и услуг являются стандартизация, метрология и сертификация.

Законы Российской Федерации «О защите прав потребителей», «О стандартизации», «О сертификации продукции и услуг», «Об обеспечении единства измерений» создали необходимую правовую базу для обеспечения качества продукции, работ и услуг.

Целью изучения дисциплины «Метрология, стандартизация и технические измерения» является формирование у студентов знаний, умений и навыков в указанных областях деятельности для обеспечения эффективности их деятельности.

Предметом изучения дисциплины являются вопросы объективной оценки качества продукции, в том числе строительной, с использованием стандартных методов. В курсе также рассматриваются вопросы метрологического обеспечения контроля производственного процесса и контроля качества продукции. Рассматриваются вопросы сертификации, под которой понимают процедуру подтверждения качества продукции заданным требованиям; причем подтверждение дается третьей стороной в письменной форме.

Дисциплина включает в себя пять разделов:

1) основы метрологии;

2) основы стандартизации;

3) основы сертификации;

4) обработка результатов измерений;

5) технические измерения.

Одной из важнейших характеристик продукции является её качество. Качество – совокупность характеристик объекта, относящихся к его способности удовлетворять установленным и предполагаемым потребностям. Объектом может быть деятельность или процесс, продукция, организация, система или отдельное лицо, а также любая их комбинация. В этом курсе рассматриваются такие объекты, как продукция, процесс или система. Продукция – результат овеществленной деятельности человека. Для объективной оценки качества продукции, выпускаемой различными производителями, используются стандартизированные методы и измерительное оборудование. Наличие стандартизированной схемы испытания продукции позволяет получить объективные критерии для оценки качества продукции и стимулирует производителей в условиях рыночной экономики повышать качество продукции.

Понятие об измерениях, как о физическом эксперименте.

Определения метрологии и метрологического обеспечения начинаются с основного понятия — измерение. Общее определение: «Измерение—нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств». Это определение четко определяет границы самого понятия и содержит указания на все важнейшие его элементы. Следует отметить, что в нахождение значения физической величины (далее—величины) включается и математическая обработка результатов измерения, в частности введение поправок и статистическая обработка результатов наблюдений (если это требуется). Значение величины, найденное путем его измерения, называется результатом измерения. Значение величины, полученное при отдельном измерении, называется результатом наблюдения (точнее—измерения). Наблюдением при измерении является экспериментальная операция, выполняемая в процессе измерений, в результате которой получают одно значение из группы значений величины, подлежащих совместной обработке для получения результата измерения.

В определение понятия метрологического обеспечения входит термин «единство измерений», под которым понимается такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах, размеры которых соответствуют единицам, воспроизводимым эталонами, погрешности результатов измерения известны с заданной вероятностью и не выходят за установленные пределы.

Оно позволяет обеспечить сопоставимость измерений, выполненных в разное время, разными средствами и методами. Единство измерений обеспечивается единообразием средств измерений и правильностью методик их выполнения. При этом под единообразием средств измерений понимается такое их состояние, при котором они градуированы в узаконенных единицах и их метрологические свойства соответствуют установленным нормам.

Погрешность измерения.

Показателями качества измерений являются погрешность (точность), правильность, сходимость и воспроизводимость измерений.

Погрешность измерения — отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины.

Точность измерений—их качество, отражающее близость их результатов к истинному значению измеряемой величины. Количественно точность выражается величиной, обратной модулю относительной погрешности. Например, если погрешность измерения составляет |δо|==0,1 % ==0,001, то точность равна 1000. Таким образом, высокая точность измерений соответствует малым погрешностям всех их видов (систематических и случайных).

Правильность измерений—их качество, отражающее близость к нулю систематических погрешностей в их результатах.

Сходимость измерений—их качество, отражающее близость друг к другу результатов измерений, выполняемых в одинаковых условиях.

Воспроизводимость измерений — их качество, отражающее близость друг к другу результатов измерений, выполняемых в различных условиях (в разное время, в различных местах, разными методами и средствами).

Объект измерений.

Во всех видах измерений объектом измерений является физическая величина. Физической величиной (далее — величиной) называют свойство, общее в качественном отношении многим физическим объектам (физическим системам, их состояниям и происходящим в них процессам), но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта. При этом индивидуальность в количественном отношении следует понимать в том смысле, что свойство для одного объекта может быть в определенное число раз больше или меньше, чем у другого. В связи с этим не следует употреблять термин «величина» для выражения количества рассматриваемого свойства, например, нельзя говорить о «величине напряжения», так как напряжение само является величиной. В этих случаях следует говорить о «размере величины», или «значении величины». Размером величины называют количественное содержание в данном объекте свойства, соответствующего понятию величины, а значением — оценку величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц. Отвлеченное число, входящее в значение величины, называют числовым значением. Например, 220 В—значение напряжения; 220—числовое значение.

Результат измерения в общем виде записывают в форме, называемой основным уравнением измерения:

X=N[x],

где Х— измеряемая величина;

N— числовое значение измеренной величины;

х — единица физической величины.

Различают истинное, действительное и измеренное значение величины. Истинным значением величины называют такое, которое идеальным образом отражало бы качественно и количественно соответствующее свойство объекта. Поэтому истинное значение величины экспериментатору никогда не известно. По мере повышения точности полученное при измерениях значение величины лишь приближается к истинному ее значению. Действительным значением величины называют найденное экспериментальным путем ее значение, которое настолько приближается к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него. Измеренным значением величины называют также найденное экспериментальным путем ее значение. При измерениях, выполняемых при поверке, градуировке или аттестации средств измерений, за действительное значение принимают показание образцового средства измерений, а за измеренное—показание поверяемого (аттестуемого) средства измерений. При технических измерениях разделение значения на действительное и измеренное теряет свой смысл, так как в этом случае измеренное значение величины и принимается за действительное.

Все многообразие величин сводится в системы физических величин, связанных между собой зависимостями. В системы входят основные и производные величины. При этом каждая система имеет свой набор основных и производных величин. Для обозначения системы величин указывают группу основных величин. Так, система, охватывающая механические и электрические величины, называется системой LMTI, в которой в качестве основных величин приняты длина /, масса т, время t и сила электрического тока I. Основной величиной называют величину, входящую в систему и условно принятую в качестве независимой от других величин этой системы. Производной величиной называют величину, входящую в систему и определяемую через основные величины этой системы. Выражение, отражающее связь производной величины с основными величинами системы, называется размерностью величины. Они представляет собой произведение основных величин, возведенных в соответствующую степень, называемую показателем размерности величины. Система величин может состоять как из размерных, так и безразмерных величин. Размерной называется величина, в размерности которой хотя бы одна из основных величин возведена в степень, не равную нулю. Безразмерной называется величина, в размерность которой основные величины входят в степени, равной нулю. Безразмерная величина одной системы величин может быть размерной величиной в другой системе.

Для каждой величины, входящей в систему, выбирается единица величины, которой по определению присвоено числовое значение, равное 1. В.соответствии с видами величин различают основные и производные единицы, образующие для данной системы величин систему единиц величин. Выбор единиц в пределах системы в какой-то мере произволен. Однако в качестве основных единиц выбирают такие, которые, во-первых, могут быть воспроизведены с наивысшей точностью, а во-вторых, удобны в практике измерении или их воспроизведения. Единицы величин, входящих "в систему, называются системными. Кроме системных единиц, применяются и внесистемные единицы, не входящие ни в одну из систем единиц: единица мощности — лошадиная сила, единицы времени — час, сутки и т. д. Они возникли в процессе развития техники измерений для удовлетворения практических потребностей или введены для удобства пользования ими при измерениях, С теми-же целями применяются кратные и дольные единицы величин. Кратной единицей называется такая, которая в целое число раз больше системной или внесистемной единицы: килогерц, мегаватт. Дольной единицей называется такая, которая в целое число раз меньше системной или внесистемной единицы: миллиампер, микровольт. Строго говоря, многие внесистемные единицы могут рассматриваться как кратные или дольные единицы.

В науке и технике широко распространены также относительные и логарифмические величины и их единицы, которыми характеризуются усиление и ослабление электрических сигналов, коэффициенты модуляции, гармоник и т. д. Относительные величины могут выражаться в безразмерных относительных единицах, в процентах, в промилле.

Имеется тенденция к применению естественных систем единиц, основанных на универсальных физических постоянных (константах), которые могли бы быть приняты в качестве основных единиц: скорость света, постоянная Больцмана, постоянная Планка, заряд электрона. Преимуществом такой системы является постоянство основания системы и высокая стабильность констант. В некоторых эталонах такие постоянные уже используются: эталон единицы частоты и длины, эталон единицы постоянного напряжения. Но размеры единиц величин, основанных на константах, на современном уровне развития техники неудобны для практических измерений и не обеспечивают необходимой точности получения всех производных единиц. Однако такие достоинства естественной системы единиц, как неразрушаемость, неизменность во времени, независимость от местоположения, стимулируют работы по изучению возможности их практического применения.

Впервые совокупность основных и производных единиц, образующих систему, предложил в 1832 г. К. Ф. Гаусс. В качестве основных единиц в этой системе приняты три произвольные единицы — длины, массы и времени, соответственно равные миллиметру, миллиграмму и секунде. Позднее были предложены и другие системы единиц физических величин, базирующихся на метрической системе мер и различающихся основными единицами. Но все они, удовлетворяя одних специалистов, вызывали возражения других. Это требовало создания новой системы единиц. В какой-то мере удалось разрешить существовавшие противоречия после принятия в 1960 г. XI Генеральной конференцией по мерам и весам Международной системы единиц, названной сокращенно СИ (SI). В СССР она вначале была принята как предпочтительная (1961 г.), а затем после введения в действие ГОСТ 8.417—81 (СТ СЭВ 1052—78) «ГСИ. Единицы физических величин» — и как обязательная во всех областях науки, техники, народного хозяйства, а также во всех учебных заведениях. Эта система содержит семь основных единиц (табл. 1.1).

Каждая основная единица имеет наименование, обозначение и ее определение.

Величина	Единица	Обозначение
Длина	Метр	м
Масса	Килограмм	кг
Время	Секунда	с
Сила электрического тока	Ампер	А
Термодинамическая температура	Кельвин	К
Сила света	Канделла	кд
Количество вещества	моль	моль

В системе приняты две дополнительные единицы для измерения плоского и телесного углов, названные соответственно радиан (рад) и стерадиан (ср). Дополнительные единицы не могут быть отнесены к производным, так как они не зависят от основных единиц.

Метрологические службы рф

Метрологическая служба — это совокупность субъектов деятельности и видов работ, направленных на обеспечение единства измерений.

В настоящее время метрологическая служба России состоит из Государственной метрологической службы, руководство которой осуществляется Росстандартом, а также из метрологических служб органов государственного управления и юридических лиц.

Государственная метрологическая служба включает государственные научные метрологические центры (ГНМЦ) и территориальные органы, расположенные в субъектах Российской Федерации, (республиках, автономных областях, автономных округах, областях, городах Москве и Санкт-Петербурге).

В состав Государственной метрологической службы входят следующие национальные метрологические институты: ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт метрологической службы» (ВНИИМС, г. Москва), ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии имени Д.И. Менделеева» (ВНИИМ, г. С.-Петербург), ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений» (ВНИИФТРИ, Московская обл.), ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений» (ВНИИОФИ, г. Москва), ФГУП «Сибирский государственный научно-исследовательский институт метрологии» (СНИИМ, г. Новосибирск), ФГУП «Уральский научно-исследовательский институт метрологии» (УНИИМ, г. Екатеринбург), ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт расходометрии» (ВНИИР, г. Казань), а также Восточносибирский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений (ВС ВНИИФТРИ, г. Иркутск) и «Дальстандарт» (г. Хабаровск), вошедшие в 2007 г. в состав ФГУП "ВНИИФТРИ".

Государственные научные метрологические центры несут ответственность за создание, совершенствование, хранение и применение государственных эталонов, а также за разработку нормативных документов по обеспечению единства измерений. Они являются хранителями государственных эталонов, ведут исследования в области теории измерений, принципов и методов высокоточных измерений, разработки научно-методических основ совершенствования российской системы измерений.

Органами Государственной метрологической службы являются центры стандартизации, метрологии и сертификации (ЦСМ), расположенные по всей территории России. Крупнейшими из них являются ФГУ "Ростест-Москва" и ФГУ "Тест-С.-Петербург". Они ведут работы по поверке и калибровке средств измерений, осуществляют государственный метрологический контроль за обеспечением единства измерений. Для целей обеспечения единства измерений созданы и другие государственные службы: Государственная служба времени и частоты и определения параметров Земли (ГСВЧ), Государственная служба стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов (ГССО), Государственная служба стандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществ и материалов (ГСССД). Руководство этими Службами и координацию их деятельности осуществляет Ростехрегулирование.

Метрологические службы органов государственного управления и юридических лиц создаются для выполнения работ по соблюдению единства измерений, повышения уровня метрологического обеспечения. Допускается возложение отдельных функций метрологической службы на иные структурные подразделения. Метрологические службы органов государственного управления и юридических лиц организуют свою деятельность на основе положений Закона «Об обеспечении единства измерений», других законодательных и нормативных документов, регламентирующих вопросы метрологии. Основные задачи, права и обязанности метрологических служб органов государственного управления и юридических лиц независимо от форм собственности последних определены в документе ПР 50.732-93 «Типовое положение о метрологической службе государственных органов управления и юридических лиц» скачать.

Метрологическая служба органа государственного управления представляет собой систему, образуемую приказом его руководителя, и может включать: подразделение (службу) главного метролога в центральном аппарате; головные и базовые организации метрологической службы в отраслях; метрологические службы предприятий.

К основным задачам метрологических служб относятся:

калибровка средств измерения;

надзор за состоянием и применением средств измерения, за аттестованными методиками выполнения измерений и эталонами единиц величин, применяемыми для калибровки средств измерения, за соблюдением метрологических правил и норм и нормативных документов по обеспечению единства измерений;

выдача обязательных предписаний, направленных на предотвращение, прекращение или устранение нарушений метрологических правил и норм;

проверка своевременности представления средств измерения на испытания для утверждения типа, а также на поверку и калибровку;

анализ состояния измерений, испытаний и контроля на предприятии.