Баталов А. Метрология, стандартизация, сертификация: Учеб. пособие

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. МЕТРОЛОГИЯ

Слово метрология образовано из двух греческих слов метрон (мера) и логос (умение) и означает – учение о мерах. Метрология в современном понимании – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.
Единством измерений называется состояние измерений, при которых их результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности известны с заданной вероятностью.

1.1. Метрологическое обеспечение качества продукции

Народное хозяйство любой страны требует разнообразной информации о параметрах и характеристиках объектов исследований и измерений в науке, производстве, здравоохранении, сельском хозяйстве, на транспорте, в области охраны окружающей среды и в других сферах человеческой деятельности. В современной промышленности доля затрат труда на выполнение измерений составляет в среднем 10 % общих затрат труда на всех этапах создания и эксплуатации продукции, а в отдельных отраслях, в частности, электронной, радиотехнической, химической, достигает 50-60 %.
Для этой цели необходимо метрологическое обеспечение, т.е. установление и применение научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерений.
Основными целями метрологического обеспечения являются:
· повышение качества продукции, эффективности управления производством и уровня автоматизации производственных процессов;
· обеспечение достоверного учета и повышение эффективности использования материальных ценностей и энергетических ресурсов;
· повышение эффективности мероприятий по профилактике, диагностике и лечению болезней, нормированию и контролю условий труда и быта людей, охране окружающей среды, оценке и рациональному учету использования природных ресурсов; повышение эффективности международного научно-технического, экономического и культурного сотрудничества.
Техническими основами метрологического обеспечения являются:
· система государственных эталонов единиц физических величин;
· система передачи размеров единиц физических величин от эталона всем средствам измерений с помощью образцовых средств измерений и других средств поверки;
· система разработки, постановки на производство и выпуска в обращение рабочих средств измерений, обеспечивающих определение с требуемой точностью характеристик продукции, технологических процессов и других объектов;
· система обязательных государственных испытаний средств измерений;
· система стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов.
Руководство метрологическим обеспечением народного хозяйства страны осуществляет Госстандарт России. Метрологическая служба РФ состоит из государственной метрологической службы, территориальных органов Госстандарта РФ, ведомственных метрологических служб.
Государственный метрологический надзор осуществляется Госстандартом РФ, главным управлением государственного надзора, лабораторией государственного надзора (ЛГН).
Объектами государственного надзора являются: нормативные документы по стандартизации и техническая документация; продукция, процессы и услуги; иные объекты в соответствии с действующим законодательством о государственном надзоре.
Международная организация мер и весов (МОМВ) обеспечивает хранение и поддержание международных эталонов различных единиц и сличение с ними государственных эталонов и состоит из Генеральной конференции мер и весов, Международного комитета по мерам и весам, Международного бюро мер и весов (МБМВ).
В большинстве стран мира мероприятия по обеспечению единства измерений установлены законодательно. Поэтому один из разделов метрологии называется законодательной метрологией и включает комплекс общих правил, требований и норм, направленных на обеспечение единства измерений и единообразия средств измерений. Для единообразия в единицах измерений в 1978 г. был утвержден Международный стандарт «Единицы физических величин» (СИ), который введен с 1 января 1979 г. как обязательный во всех областях народного хозяйства, науки, техники и при преподавании.
СИ содержит семь основных единиц, которые затрагивают измерения всевозможных параметров: механических, тепловых, электрических, магнитных, световых, акустических и ионизирующих излучений и в области химии. Основными единицами установлены: метр (м) – для измерения длины; килограмм (кг) – для измерения массы; секунда (с) – для измерения времени; ампер (А) – для измерения силы электрического тока; Кельвин (К) – для измерения температуры; кандела (свеча) кд – для измерения силы света, моль – для измерения количества вещества.
До 1960 г. за международный эталон и национальный эталон длины 1 м принималось расстояние между серединами двух штрихов на бруске X-образного сечения, сделанном из сплава платины с иридием. У этого эталона расстояние между серединами штрихов было невозможно измерить точнее ±0,1 мкм, что не отвечало требованиям современного состояния науки и техники. Недостатком эталона являлось и то, что он представлял собой металлический брусок, который при стихийном бедствии (например, землетрясении или наводнении) мог пропасть или потерять со временем точное значение метра.
В новой системе единиц 1 м выражен в длинах световых волн  атома криптона (газа). Теперь метр – это длина, равная 1650763,73 длин волн в вакууме излучения, соответствующего оранжевой линии спектра криптона-86. Оранжевая линия спектра этого света, принятая в качестве эталонной, имеет строго определенную длину, равную 0,6057 мкм.
При новом эталоне длина 1 м воспроизводится сейчас с погрешностью 0,002 мкм, которая меньше погрешности старого искусственного эталона метра в 50 раз.
Для воспроизведения метра в длинах световых волн создана специальная установка, основной частью которой является лампа в виде разрядной трубки, наполненная газом – криптоном.
Кельвин – единица термодинамической температурной шкалы. Эту температурную шкалу впервые предложил английский физик У. Томсон (лорд Кельвин) еще в 1848 г. По этой шкале нулевым значением температуры является абсолютный нуль (–273,15 °С), а температура тройной точки воды составляет 273,16 К или по Цельсию +0,01 °С. Под тройной точкой воды понимают точку равновесия воды в твердой, жидкой и газообразной фазе. Такая точка получается, если нагреть лед до +0,01 °С в специальной установке с точностью ±0,0001 °С.
Существующая с 1742 г. и широко распространенная шкала Цельсия, в которой точка таяния льда принимается равной 0°, а точка кипения воды 100°, не обеспечивает необходимой точности измерений, так как погрешность при определении точки начала кипения воды колеблется от 0,01 до 0,002 °С.
С принятием в качестве основной шкалы Кельвина, точность которой зависит только от погрешности определения тройной точки воды (±0,0001°), погрешность эталонных измерений уменьшается не менее чем в 50 раз.
Шкала в Кельвинах является эталонной и предпочтительной при расчетах, так как в ней нет минусовых температур. В быту и производстве сохранена температурная шкала в градусах Цельсия, которая названа Международной практической шкалой и основана не на двух точках (таяния льда и кипения воды), а на шести точках. Первой точкой шкалы является температура кипения гелия (–268,93 °С), а последней точкой – температура затвердевания золота (+1064,43 °С). При новом построении шкалы в градусах Цельсия градусы обеих шкал строго совпадают и переход от одной температурной шкалы к другой очень прост: если известна температура по Цельсию t, то температура по Кельвину Т будет составлять Т = t + 273,15.
Ампер равен силе не изменяющегося тока, который при прохождении по двум прямолинейным параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2×10-7 Н. Единица измерения ампер воспроизводится на специальной установке по принципу амперовотоковых весов с погрешностью 10-5, которая значительно меньше погрешности ампера при старом определении.
Секунда равна 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния цезия-133. Секунда связана с частотой колебаний атомов цезия и воспроизводится на атомных часах с относительной погрешностью 5×10-11. По старой эталонной секунде, воспроизводившейся с помощью кварцевых часов, погрешность составляла 1×10-7.
Кандела равна силе света, испускаемого с поверхности площадью 1/600000 м3 полного излучателя в перпендикулярном направлении при температуре излучателя, равной температуре затвердевания платины при давлении 101325 Па. Кандела воспроизводится с погрешностью 1×10-3.
Для килограмма сохранен международный прототип в виде бруска из сплава платины и иридия, который характеризуется относительной погрешностью 2×10-9.

Единицей количества вещества является моль, который определяется как количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг.

1.2. Метрологические показатели измерительных средств
и методы измерений

При выборе измерительных средств должны быть учтены организационно-технические формы контроля, масштаб производства, конструктивно-технологические и точностные характеристики деталей и изделий. Каждый размер или параметр может быть измерен несколькими средствами с различными погрешностями, которые зависят от точности самих средств, их настройки, метода и условий измерения. Погрешность годного прибора не должна превышать установленного для него уровня, что обеспечивается систематической поверкой прибора. Допустимые погрешности измерений, устанавливаемые ГОСТом, могут составлять от 20 (квалитеты 10-17) до 35 (квалитеты 5-9) процентов измеряемой величины допуска. С целью уменьшения дополнительных погрешностей при измерении должны соблюдаться предусмотренные стандартом условия: температура 20 °С, атмосферное давление 101325 Па, относительная влажность окружающего воздуха 58 %, положение деталей в пространстве, освещенность и т.п.
Под техническими измерениями понимают измерения размеров деталей и изделий, производимых в машиностроении, в отличие от измерений свойств материала или других физических величин (температуры, давления и т. п.).
При изготовлении деталей их действительные размеры в силу различных причин иногда оказываются вне поля допуска (интервала допускаемых величин). Годность действительных размеров устанавливают либо путем измерения, либо путем контроля.
Измерить – определить действительный размер с заданной точностью с помощью каких-либо универсальных измерительных средств. Измерения производят в единичном и мелкосерийном производстве, при ремонтных и экспериментальных работах, при точности выше 6-го квалитета и в некоторых других случаях.
Проконтролировать – установить факт годности или негодности проверяемого размера, что часто возможно и без определения его действительной величины. Контроль является частным случаем измерений.
По назначению средства измерения могут быть универсальными и специальными.
Универсальные средства измерения предназначены для измерения длин и углов в определенном диапазоне размеров независимо от конфигурации измеряемой детали, специальные – для конкретных размеров деталей определенной формы.
В зависимости от отличительных признаков, имеющихся у средств измерения, их часто классифицируют на меры, измерительные инструменты и приборы. Поскольку не всегда можно четко провести точную грань между измерительным инструментом и прибором, в последнее время отказываются от понятия «измерительный инструмент» и все измерительные средства делят на меры и измерительные приборы.
Мера – средство измерения, предназначенное для воспроизведения длины (в общем случае – физической величины) заданного размера. Примером меры как специального измерительного средства являются калибры, широко применяемые в серийном и массовом производстве для контроля годности изготовленных изделий.
Калибрами называются меры, имеющие форму поверхности, противоположную (обратную) контролируемому объекту и воспроизводящие его номинальные (нормальные калибры, шаблоны, щупы) или предельные (предельные калибры – проходной ПР и непроходной НЕ) размеры.
Существуют и универсальные, так называемые многозначные меры, воспроизводящие ряд одноименных величин различного размера (линейки с делениями, плоскопараллельные концевые меры длины и др.).
Измерительный прибор – средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации, выдаваемой отсчетными устройствами (шкальными, цифровыми, регистрирующими).
По характеру оценки измеряемой величины различают абсолютный и относительный методы измерения и соответствующие им средства измерения. При абсолютном методе оценка значения всей измеряемой величины производится непосредственно по шкале прибора (например, при измерении штангенциркулем, микрометром, на длиномере и др.).
Относительный (сравнительный) метод основан на сравнении измеряемой величины с установочной мерой, по которой прибор предварительно настраивается на нуль. По шкале прибора в этом случае определяется отклонение измерительной величины от установочной меры (например, измерение на миниметре, с помощью индикаторного нутромера, тангенциальным зубомером и др.).
Метод измерений может быть прямым или косвенным в зависимости от способа получения измеряемой величины.
Прямой метод характеризуется непосредственной оценкой измеряемой величины по показанию прибора.
При косвенном методе измеряют некоторые величины, связанные с искомой функциональной зависимостью. На основании результатов измерения искомая величина вычисляется по формулам (например, определение радиуса закругления на основании измерения длины хорды и стрелы прогиба или определение угла конуса на основании измерения диаметров в двух сечениях и расстояния между ними). Косвенным методом измерения пользуются в тех случаях, когда искомая величина недоступна для измерения прямым методом или не может быть измерена с достаточной точностью.
По характеру взаимодействия средств измерения с поверхностью измеряемой детали методы и средства измерения разделяются на контактные и бесконтактные.
Контактными называются измерения, при которых измерительное средство имеет механический контакт с поверхностью измеряемого объекта.
Бесконтактными называются измерения, при которых измерительное средство не имеет механического контакта с поверхностью измеряемого объекта. Бесконтактные методы основаны на проекционном, фотографическом, пневматическом и других подобных способах измерения.
В зависимости от количества одновременно выявляемых различных параметров методы и средства измерения разделяют на дифференцированные (поэлементные) и комплексные.
Дифференцированным (поэлементным) называется измерение, при котором у детали (изделия) сложной формы измеряют каждый из ее элементов или параметров, характеризующих точность. Например, при измерении резьбы каждый ее параметр (диаметр, шаг, угол профиля) определяют отдельно. Дифференцированные методы и средства измерения наиболее удобны при изготовлении деталей, так как позволяют выявить, какой из элементов детали вышел за пределы допустимых значений.
Комплексными называются измерения, при которых определяется влияние всех элементов сложных деталей (изделий) вместе, в их взаимосвязи между собой, т.е. выявляются эксплуатационные показатели. Например, проверка резьбы на свинчивание с комплексными резьбовыми калибрами позволяет одновременно определить соответствие допускаемым значениям сразу всего комплекса параметров резьбы. Комплексные измерительные средства чаще всего используются при приемочном контроле готовых деталей (изделий), поскольку выявляют свойства, близкие к эксплуатационным.
По характеру взаимосвязи результатов измерения с технологическим процессом производится разделение приборов на активные и пассивные.
Приборы активного контроля предназначены для измерения размеров детали в процессе ее обработки на станке и дают информацию о необходимости изменения режимов обработки.
Приборами пассивного контроля производят измерения после окончания обработки и фиксируют полученную точность обработки детали.
Метрологические характеристики (показатели) – совокупность параметров универсальных измерительных средств, характеризующих точность измерения, область их возможного и наиболее рационального применения. Ниже приведены основные показатели измерительных средств.
Диапазон измерения (предел изменения прибора) – диапазон размеров, который может быть измерен данными измерительными средствами и для которого нормируется допускаемая погрешность.
Диапазон показаний (пределы показаний по шкале) – область значений измеряемого размера, которая может быть отсчитана по шкале прибора.
Цена деления (шкалы) – разность значений измеряемой величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы. Обычно применяются цены деления из ряда 1; 2; 5.
Измерительное усилие – сила, с которой измерительный наконечник прибора воздействует на измеряемую поверхность в направлении измерения.
Погрешность прибора – разность между показаниями прибора и истинным (действительным) значением измеряемой величины.
Погрешность измерения – отклонение значений величины, найденной путем ее измерения, от истинного значения измеряемой величины.
Измерением называется нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.
Измерение может быть:
· прямое, при котором искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных (например, измерение массы на циферблатных весах, температуры термометром, размера штангенциркулем и др.);
· косвенное, при котором искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. например, для определения диаметра D большого вала его охватывают рулеткой и определяют длину окружности l. Получают абсолютное измерение D = l/p, основанное на прямых измерениях одной или нескольких основных величин;
· относительное измерение – отношение величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерение величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.
При выборе измерительных средств пользуются метрологическими показателями.
К основным показателям относятся: цена деления шкалы, интервал деления шкалы, допускаемая погрешность измерительного средства, пределы измерения и измерительное усилие.
Ценой деления шкалы называется разность значений величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы. Например, у индикатора часового типа цена деления равна 0,01 мм. Если стрелка прибора переместится от одного деления шкалы до другого, это значит, что измерительный наконечник переместился на 0,01 мм.
Цену деления не следует принимать за точность прибора. Точность прибора определяется погрешностью и может быть больше или меньше цены деления.
Интервал деления шкалы – это расстояние между двумя соседними отметками шкалы. У большинства измерительных средств интервал деления составляет от 1 до 2,5 мм. Чем больше интервал деления на шкале, тем удобнее отсчет по шкале, хотя это обычно ведет к увеличению ее габаритов.
Допускаемой погрешностью измерительного средства называется наибольшая погрешность, при которой измерительное средство может быть допущено к применению. Для каждого вида измерительных средств, выпускаемых отечественными предприятиями, обязательно устанавливается допускаемая погрешность.
При рассмотрении погрешности измерений часто выделяется вариация или нестабильность показаний измерительного средства, под которой понимается разность показаний этого средства при многократных измерениях одной и той же величины.
Пределы измерений измерительного средства – это наибольший и наименьший размеры, которые можно измерить данным средством.
Пределы измерений по шкале – наибольшее и наименьшее значения размера, которые можно отсчитать непосредственно по шкале.
Измерительное усилие – усилие, возникающее в процессе измерения при контакте измерительных поверхностей с контролируемым изделием.
Измерительное средство и приемы его использования в совокупности образуют метод измерения. По способу получения значений измеряемых величин различают следующие методы измерений.
Метод непосредственной оценки характеризуется определением всей измеряемой величины непосредственно по показаниям измерительного средства, например при измерении детали штангенциркулем значение размера 25,5 мм.
Метод сравнения с мерой, которым определяют отклонение измеряемой величины от известного размера установочной меры или образца. Например, индикатор закрепляют в стойке на плите и устанавливают на нуль по какому-то образцу, а затем измеряют деталь. В этом случае индикатор будет показывать отклонение размера контролируемой детали относительно размера установочного образца.

1.3. Погрешности измерений, их виды и источники

Узнать абсолютное значение измеряемой величины нельзя, так как результаты наших измерений несвободны от погрешностей. Поэтому измерения одной и той же постоянной величины при сохранении одних и тех же внешних условий часто дают неодинаковые результаты, отличающиеся на небольшую величину. Погрешностью измерения Dизм называется отклонение результата измерения Xi от истинного значения Xист/Dизм = Xi – Xист.
Погрешности измерений подразделяют на систематические, случайные и грубые (промахи).
Систематической называется такая погрешность, значение которой при повторных измерениях повторяется или закономерно изменяется. Эти погрешности либо увеличивают результат каждого измерения, либо уменьшают его на одну и ту же величину. Например, если измерительную головку установить на нуль по концевой мере, действительный размер которой меньше номинального на 1 мкм, то при всех измерениях будет погрешность 1 мкм со знаком минус.
Влияние систематических погрешностей можно устранить, если ликвидировать причины их появления или внести поправку в результат измерений, равный величине погрешности, но с обратным знаком, как например это делается, когда известно, что часы отстают на 3 минуты.
Случайной называется погрешность измерения, принимающая при повторных измерениях одной и той же величины и в тех же условиях разные значения по величине и знаку. Случайные погрешности вызываются многочисленными случайными причинами: влиянием неодинаковости измерительного усилия, влиянием зазора между деталями измерительного прибора, погрешностью при отсчете показаний прибора, неточностью установки измеряемого изделия относительно измерительного устройства и др.
Величину и знак возможной случайной погрешности заранее, т.е. до проведения измерения, установить нельзя. Практикой установлено, что распределение случайных погрешностей измерений в большинстве случаев близко к закону нормального распределения. Поэтому допускают, что погрешности, одинаковые по величине, но разные по знаку, равновероятны. Наибольшее число измерений имеют малые погрешности, близкие к нулю (малые по величине погрешности встречаются чаще, чем большие). Ввиду того что одинаково вероятны как плюсовые, так и минусовые случайные погрешности, при достаточно большом количестве повторных измерений среднее арифметическое значение ряда повторных измерений дает наиболее точное значение измеряемой величины (размера).
При многократных измерениях погрешность измерения от случайных ошибок уменьшается в n0,5 раз, где п – число измерений.
На основе закона нормального распределения случайных величин можно многократным измерением одних и тех же величин одним и тем же измерительным средством уменьшить влияние случайных ошибок, так как они усредняются и в итоге повышается точность результата измерения. На машиностроительных и приборостроительных заводах многократность измерений как способ повышения надежности и достоверности результата измерений применяют довольно часто.
Проведя несколько повторных измерений одной и той же величины и получив различные результаты, определяют среднее арифметическое значение ряда измерений  и принимают его за значение измеряемой величины Хист, т.е. принимают Xист =.
Из результатов многократных измерений можно получить более полную информацию об интересующей нас величине, например о размере опытной детали, если провести еще несложную математическую обработку результатов всех проведенных измерений. Практика показывает, что при современных требованиях к производству точных изделий боязнь небольшой математической обработки результатов измерений является врагом точности. Поэтому ценность результата многократных измерений значительно повышается, если кроме среднего арифметического значения Х будет определена предельная погрешность среднего арифметического в виде s, которая зависит от значения амплитуды рассеяния размеров и количества проведения измерений п.
Предельная погрешность среднего арифметического определяется по формуле

где s – средняя квадратическая погрешность ряда измерений.
Если при многократных измерениях появится погрешность больше 3s, то такую погрешность считают грубой, и результат измерения с такой погрешностью отбрасывают. Причинами грубой погрешности могут быть неправильное снятие показаний по шкале прибора или ошибка при записи результата измерения.

1.4. Эталоны, поверочная схема и порядок
доведения значения эталона до производственных измерений

Эталон – средство измерений, обеспечивающее воспроизведение и хранение единицы физической величины с целью передачи размера единицы образцовым, а от них рабочим средствам измерений и утвержденное в качестве эталона в установленном порядке.
Если эталон воспроизводит единицу с наивысшей в стране точностью, то он называется первичным.
Эталоны, значения которых установлены по первичному эталону, называются вторичными. Они создаются и утверждаются для организации поверочных работ и для обеспечения сохранности и наименьшего износа государственного эталона.
Вторичные эталоны по своему метрологическому назначению делятся на эталоны-копии, эталоны сравнения, эталоны-свидетели и рабочие эталоны.
Эталон-копия предназначен для хранения единицы и передачи ее размера рабочим эталонам.
Эталон сравнения применяется для сличения эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть сличаемы друг с другом.
Эталон-свидетель применяется для проверки сохранности государственного эталона и для замены его в случае порчи или утраты.
Рабочий эталон применяется для хранения единицы и передачи ее размера образцовым средствам измерения высшей точности и при необходимости наиболее точным рабочим мерам и измерительным приборам.
Передача размеров единиц от эталонов рабочим мерам и измерительным приборам осуществляется посредством образцовых средств измерений. Образцовые средства измерений представляют собой меры, измерительные приборы или преобразователи, предназначенные для поверки и градуировки по ним других средств измерений и в установленном порядке утвержденные в качестве образцовых. Образцовые средства измерения должны быть аттестованы, и на них выдаются свидетельства с указанием метрологических параметров и разряда. Все образцовые средства измерений подлежат обязательной периодической поверке в установленные правилами Госстандарта сроки.
Научно-техническую сторону передачи размеров от эталона до изделия обеспечивают поверочные схемы, представляющие собой документ, устанавливающий метрологическое соподчинение эталонов, образцовых средств измерений и порядок передачи размера единицы образцовым и рабочим средствам измерений.

Ваш комментарий о книге
Обратно в раздел Наука