Часть I. Основные понятия, термины, определения

Часть I. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ТЕРМИНЫ, ОПРЕДЕЛЕНИЯ

 

Детальное изучение любого предмета немыслимо без использования соот­ветствующих понятий, терминов и определений, при этом предпочтительно применение их общепризнанных категорий, а еще лучше — стандартизован­ных. Поэтому в данной части книги приводятся понятийно-терминологиче­ские сведения, относящиеся к метрологии и измерениям, а также к оптической радиометрии как к области измерений.

 

Глава 1 МЕТРОЛОГИЯ И ИЗМЕРЕНИЕ

 

Термины и определения основных понятий метрологии были установлены в нашей стране более 30 лет назад ГОСТ 16263-70.

Естественно, за истекшие три десятилетия имел место процесс уточне­ния и совершенствования отечественной метрологической терминологии и ее гармонизации в соответствии с международными аналогами. Это нашло от­ражение в рекомендациях по межгосударственной стандартизации Межгосу­дарственного Совета по стандартизации, метрологии и сертификации РМГ 29-99 [7], в которых учтены принятые Международной организацией по стан­дартизации (ИСО) термины и определения в метрологии [8].

Термины метрология и измерения следует признать основополагающи­ми для любой области измерений, в том числе и для оптической радиометрии. В общепринятом представлении метрология считается первичной по отно­шению к измерению, а именно [7]:

метрология — это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

измерение — совокупность операций по применению технического сред­ства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины.

Международное толкование термина метрология еще более кратко — это наука об измерениях [8], хотя в точном переводе с греческого метрология означает лишь учение о мерах.

 

1. 1. Метрология

Современная метрология включает три составляющие: теоретическую, законодательную и практическую (прикладную) метрологию [7].

Теоретическая метрология — это раздел метрологии, предметом кото­рого является разработка фундаментальных основ метрологии.

Законодательная метрология — это 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 — это раздел метроло­гии, предметом которого являются вопросы практического применения раз­работок теоретической метрологии и положений законодательной метро­логии.

Одним из важнейших условий нормального функционирования всех отраслей экономики, науки, медицины, обороны и пр. является обеспечение единства измерений физических величин.

Единством измерений именуется их состояние, характеризующееся тем, что их результаты выражаются в узаконенных единицах, размеры ко­торых в установленных пределах равны размерам единиц, воспроизводи­мых первичными эталонами, а погрешности результатов измерений известны и с заданной вероятностью не выходят за установленные пределы.

Обеспечение единства измерений — это деятельность метрологиче­ских служб, направленная на достижение и поддержание единства измерений в соответствии с законодательными актами, а также правилами и нормами, установленными государственными стандартами и другими нормативными документами по обеспечению единства измерений.

Государственной системой обеспечения единства измерений (ГСИ) именуется комплекс нормативных документов межрегионального и межотраслевого уровней, устанавливающих правила, нормы, требования, направленные на достижение и поддержание единства измерений в стране (при требуемой точности), утверждаемых Госстандартом страны.

Примечание. В ГСИ выделяются основополагающие стандарты, уста­навливающие общие требования, правила и нормы, а также стандарты, охва­тывающие какую-либо область или вид измерений.

Служба, создаваемая в соответствии с законодательством для выполнения работ по обеспечению единства измерений и для осуществления метрологиче­ского контроля и надзора, называется метрологической службой.

Примечание. Различают государственную метрологическую службу, метрологические службы государственных органов управления, метрологиче­ские службы юридических лиц.

В 1993 г. принят Закон РФ «Об обеспечении единства измерений» [9]. До того, по существу, не было законодательных норм в области метрологии. Правовые нормы устанавливались постановлениями Правительства. По срав­нению с положениями этих постановлений Закон установил немало нововве­дений — от терминологии до лицензирования метрологической деятельности в стране. Установлено четкое разделение функций государственного метро­логического контроля и государственного метрологического надзора; пере­смотрены правила калибровки, введена добровольная сертификация средств измерений и др. [9, 10].

Появление этого Закона не случайно. Метрология относится к такой сфере Деятельности, в которой основные положения обязательно должны быть за­креплены именно законом, принимаемым высшим законодательным органом страны. В самом деле, юридические нормы, непосредственно направленные на защиту прав и интересов потребителей, в правовом государстве регули­руются стабильными законодательными актами. В этой связи положения по Метрологии, действовавшие до введения Закона «Об обеспечении единства измерений», применяются лишь в части, не противоречащей ему.

Цели Закона состоят в следующем [10]:

· защита прав и законных интересов граждан, установленного право­порядка и экономики Российской Федерации от отрицательных последствий недостоверных результатов измерений;

· содействие научно-техническому и экономическому прогрессу на основе применения государственных эталонов единиц величин и использования ре­зультатов измерений гарантированной точности, выраженных в допускаемых к применению в стране единицах;

· создание благоприятных условий для развития международных и меж­фирменных связей;

· регулирование отношений государственных органов управления Рос­сийской Федерации с юридическими и физическими лицами по вопросам изготовления, выпуска, эксплуатации, ремонта, продажи и импорта средств измерений;

· адаптация российской системы измерений к мировой практике.

· Особенность закона, в отличие от зарубежных законодательных поло­жений по метрологии, заключается в том, что, кроме основной сферы его приложения — торговля, здравоохранение, защита окружающей среды, внеш­неэкономическая деятельность — он распространяется на некоторые области производства в части калибровки средств измерений метрологическими служ­бами юридических лиц с использованием эталонов, соподчиненных государ­ственным эталонам единиц величин. Закон предоставляет право аккредито­ванным метрологическим службам юридических лиц выдавать сертификаты о калибровке от имени органов и организаций, которые их аккредитовали.

Закон «Об обеспечении единства измерений» устанавливает и закрепля­ет основные понятия, принимаемые для целей Закона: единство измерений, средство измерений, эталон единицы величины, государственный эталон еди­ницы величины, нормативные документы по обеспечению единства измере­ний, метрологическая служба, метрологический контроль и надзор, поверка и калибровка средств измерений, сертификат об утверждении типа средств измерений, аккредитация на право поверки средств измерений, сертификат о калибровке. В основу определений положена официальная терминология Международной организации законодательной метрологии (МОЗМ) [7, 10].

Остановимся подробнее на метрологических' понятиях, терминах и опре­делениях, которые будут нам необходимы для дальнейшего изложения мате­риала и описания системы обеспечения единства измерений в отечественной оптической радиометрии [7].

Средством измерений (СИ) именуется техническое средство, предна­значенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характе­ристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погреш­ности) в течение известного интервала времени. (Виды средств измерений, применяемых в оптической радиометрии, определены в следующем парагра­фе).

Каждое СИ предназначено для применения в определенном диапазоне возможных изменений измеряемой величины. Чаще и неправильно он име­нуется динамическим диапазоном, хотя правильно называть его диапазо­ном измерений СИ, т. е. областью значений величины, в пределах кото­рой нормированы допускаемые пределы погрешности СИ. Каждое СИ имеет шкалу, вид которой зависит от технического исполнения данного средства В соответствии с [7] шкалой средства измерений считается часть показывающего устройства, представляющая собой упорядоченный ряд отметок вместе со связанной с ними нумерацией. (При этом не следует смешивать понятия шкалы СИ со шкалой физической величины, представляющей собой упорядоченную совокупность значений физической величины, служащую исходной основой для измерений данной величины). Понятие шкалы СИ непосредственно связано с представлением о градуировочной характеристике СИ, являющейся зависимостью между значениями величин на выход! и входе СИ, составленной в виде таблицы, графика или формулы. Процедура определения градуировочной характеристики СИ именуется градуировкой средства измерений. Как правило, ее производят при первичном выпуске данного СИ в обращение.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               По истечении определенного промежутка времени эксплуатации СИ необходимо убедиться в сохранности в определенных пределах его метрологи­ческих характеристик, основной из которых является погрешность СИ представляющая собой разность между показанием СИ и истинным (действительным) значением измеряемой физической величины. Этой цели служат поверка и калибровка СИ, выполняемые через установленный для данного типа СИ межповерочный (межкалибровочный) интервал.

Поверкой средств измерений (поверкой) называется установление opганом государственной метрологической службы (или другим официально уполномоченным органом, организацией) пригодности СИ к применению на основании экспериментально определяемых метрологических характеристик и подтверждения их соответствия установленным обязательным требованиям.

Калибровка СИ — это совокупность операций, устанавливающих соот­ношение между значением величины, полученным с помощью данного СИ и соответствующим значением величины, полученным с помощью эталона с целью определения действительных метрологических характеристик это­го СИ. Таким образом, под пригодностью СИ подразумевается соответствие его метрологических характеристик ранее установленным техническим тре­бованиям, которые могут содержаться в нормативном документе или определяться заказчиком. Вывод о пригодности делает калибровочная лаборатория!

Калибровка заменила ранее существовавшую в нашей стране ведомственную поверку и метрологическую аттестацию СИ. В отличие от поверки, которую осуществляют органы государственной метрологической службы, калибровка может проводиться любой метрологической службой (или физи­ческим лицом) при наличии надлежащих условий для квалифицированного выполнения этой работы. Калибровка — добровольная операция, и ее может выполнить также и метрологическая служба самого предприятия. Это еще одно отличие от поверки, которая обязательна и подвергается контролю со стороны органов государственной метрологической службы [10].

Основные сведения о принципах организации метрологической службы достаточно полно изложены в учебнике для вузов [10]. Поэтому полезно проци­тировать несколько выдержек из этого обстоятельного труда Г. Д. Крыловой.

Межкалибровочным интервалом называют календарный промежуток времени, по истечении которого СИ должно быть направлено на калибровку независимо от его технического состояния. Аналогично этому понятие межповерочного интервала. Различают три вида межкалибровочных (межповерочных) интервалов:

первый вид — единый для всех СИ данного типа интервал, устанавли­ваемый на основе нормативных документов на этот вид СИ. В этом случае межповерочный (межкалибровочный) интервал определяется Госстандартом РФ при утверждении типа СИ по результатам испытаний. Длительность интервала учитывает показатели метрологической безотказности и среднее значение времени использования СИ в нормальных условиях;

второй вид - интервал, установленный в соответствии с конкретными условиями эксплуатации СИ данного типа в организациях и на предприяти­ях. Если назначенный интервал не совпадает с указанным в нормативных документах на данный тип СИ, его следует согласовать с Госстандартом или с аккредитованной им ведомственной метрологической службой. Для СИ, которые не подлежат госнадзору, межкалибровочный интервал определяется по решению метрологической службы юридического лица;

третий вид - межповерочные (межкалибровочные) интервалы для СИ, предназначенных для ответственных измерительных операций, например, из­мерений, связанных с безаварийной работой атомных электростанций, газо­проводов и т. п.

Индивидуальные интервалы предусмотрены также для вторичных и раз­рядных эталонов. Третий вид интервалов связан с учетом календарного вре­мени эксплуатации СИ, так как из-за старения их деталей и узлов возрастают погрешности, и необходимо сокращение межповерочных интервалов. Согла­сование назначенных интервалов аналогично описанному для второго вида. Общим для всех видов межповерочных (межкалибровочных) интервалов яв­ляется учет показателей метрологической безотказности СИ, в частности, такой ее составляющей, как средняя наработка на метрологический отказ. Этот показатель может быть определен в процессе испытаний СИ, по ре­зультатам которого рассчитывают время достижения наименьшего заданного значения вероятности отказа. Это время и служит основой для установления межповерочного (межкалибровочного) интервала.

Методы поверки (калибровки) и поверочные схемы. Допускается применение четырех методов поверки (калибровки) средств измерений:

· непосредственное сличение с эталоном;

· сличение с помощью компаратора;

· прямые измерения величины;

· косвенные измерения величины.

В основе метода непосредственного сличения поверяемого (калибру­емого) СИ с более точным СИ лежит проведение одновременных измерений одной и той же физической величины обоими СИ. При этом за действительное значение величины принимается показание более точного СИ, а погрешность определяется как разность показаний обоих СИ.

Для второго метода необходим компаратор — прибор сравнения, с по­мощью которого сличаются поверяемое (калибруемое) и более точное СИ. Потребность в компараторе возникает при невозможности непосредственного сличения с эталоном. В подобных ситуациях в схему поверки (калибровки) вводится промежуточное звено — компаратор. На практике компаратором может служить любое СИ, если оно одинаково реагирует на сигналы как поверяемого (калибруемого), так и более точного измерительного прибора.

Достоинством данного метода специалисты считают последовательное во вре­мени сравнение двух величин.

Метод прямых измерений применяется, когда имеется возможность сличить испытуемый прибор с более точным в определенных пределах изме­рений. В целом принцип этого метода аналогичен методу непосредственно­го сличения, но методом прямых измерений производится сличение на всех числовых отметках каждого диапазона (и поддиапазонов, если они имеются в приборе).

Метод косвенных измерений применяется, когда действительные зна­чения измеряемых величин невозможно определить прямыми измерениями либо когда косвенные измерения оказываются более точными, чем прямые. Этим методом определяют вначале не искомую характеристику, а другие, связанные с ней определенной зависимостью. Искомая характеристика опре­деляется расчетным путем. Метод косвенных измерений обычно применяют в установках автоматизированной поверки (калибровки).

В работе [11] предложено измерения, выполняемые рабочими средствами измерений (РСИ), именовать техническими измерениями. При этом пря­мым считается измерение, при котором искомое значение величины получа­ют непосредственно, а косвенным — когда значение физической величины определяют на основании прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой.

Что же служит «более точным СИ», о котором было сказано при описании методов поверки (калибровки)? В качестве такового применяется эталон единицы физической величины, представляющий собой средство измере­ний (или комплекс средств измерений), предназначенное для воспроизведения и(или) хранения единицы и передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений и утвержденное в качестве эталона в установлен­ном порядке.

Измерения, выполняемые при воспроизведении единиц и передаче их раз­меров, будем именовать эталонными измерениями.

Эталоны классифицируют на первичные, вторичные и рабочие [7].

Первичный эталон обеспечивает воспроизведение единицы с наивысшей в стране (по сравнению с другими эталонами той же единицы) точностью. Первичный эталон, признанный решением уполномоченного на то государ­ственного органа в качестве исходного на территории государства, именуется государственным первичным эталоном (ГПЭ). С этим определением совпадает понятие национального эталона. Последний термин применяют в случаях проведения сличения эталонов, принадлежащих отдельным госу­дарствам, с международным эталоном или при проведении так называемых круговых сличений эталонов ряда стран.

Международным служит эталон, принятый по международному соглашению в качестве международной основы для согласования с ним размеров единиц, воспроизводимых и хранимых национальными эталонами.

Международные эталоны хранит и поддерживает Международное бюро мер и весов (МБМВ). Важнейшая задача деятельности МБМВ состоит в систе­матических международных сличениях национальных эталонов крупнейших метрологических лабораторий разных стран с международными эталонами, а. также, как упоминалось выше, сличение национальных эталонов между собой, что необходимо для обеспечения достоверности, точности и единства измерений как одного из условий международных экономических связей. Сличению подлежат как эталоны основных величин Международной системы единиц, так и производных. Установлены определенные периоды сличения.

От первичного эталона размер единицы передается вторичному эталону, а от него, в соответствии с поверочной схемой, — рабочим (разрядным) эта­лонам.

Вторичным эталоном (ВЭ) называется эталон, получающий размер единицы непосредственно от первичного эталона данной единицы. Эталон, предназначенный для передачи размера единицы рабочим средствам измере­ний, именуется рабочим (разрядным) эталоном (РЭ).

Таким образом, поверку и калибровку СИ соответствующего точ­ностного разряда следует считать основной процедурой передачи размера единицы от более точного к менее точному СИ, т. е. проце­дурой эталонного измерения.

В целях поддержания единства измерений физических величин законода­тельной метрологией в нашей стране регламентировано составление повероч­ных схем, устанавливающих метрологические соподчинения государствен­ного эталона, вторичного и разрядных эталонов, рабочих средств измерений.

Поверочной схемой (для средств измерений) называется норматив­ный документ, устанавливающий соподчинение средств измерений, участву­ющих в передаче размера единицы от эталона рабочим средствам измерений (с указанием методов и погрешности при передаче).

Поверочные схемы разделяют на государственные и локальные. Государ­ственные поверочные схемы распространяются на все СИ данного вида, применяемые в стране. Локальные поверочные схемы предназначены для метрологических органов, регионов, отраслей, ведомств; распространяются они также и на СИ подчиненных им предприятий. Кроме того, может со­ставляться и локальная схема на СИ, используемые на конкретном предпри­ятии. Все локальные поверочные схемы должны соответствовать требовани­ям соподчиненности, которая определена государственной поверочной схемой (рис. 1. 1). Государственные поверочные схемы разрабатываются научно-ис­следовательскими институтами Госстандарта РФ, держателями государствен­ных эталонов.

В некоторых случаях бывает невозможно одним эталоном воспроизве­сти весь диапазон величины, поэтому в схеме может быть предусмотрено несколько первичных эталонов, которые в совокупности воспроизводят всю шкалу измерений (ранее их называли Государственными специальными эта­лонами (ГСЭ)).

Государственные поверочные схемы утверждаются Госстандартом РФ, а локальные — ведомственными метрологическими службами или руковод­ством предприятия. В государственной поверочной схеме наименования эта­лонов и РСИ обычно располагают в прямоугольниках (для государственного эталона прямоугольник двухконтурный). Здесь же указывают метрологиче­ские характеристики для данной ступени схемы. В нижней части схемы рас­положены РСИ, которые в зависимости от нормируемых допустимых погреш­ностей подразделяют на пять категорий: наивысшей точности; высшей точ­ности; высокой точности; средней точности; низшей точности. Погрешность СИ наивысшей точности обычно соответствует погрешности государственного эталона. В каждой ступени поверочной схемы регламентируется порядок (метод) передачи размера единицы. Наименования методов поверки (калибровки) располагаются в овалах, в которых также указывается допускаемая погрешность метода поверки (калибровки).

 

Рис. 1. 1. Общий вид государственной поверочной схемы [10]

 

Основным показателем достоверности передачи размера единицы величины является соотношение погрешностей СИ между вышестоящей и нижестоящей ступенями поверочной схемы. В идеале это соотношение должно быть 1: 10, однако на практике достичь его не удается, и минимально допустимым соотношением принято считать 1: 3. Чем больше это соотношение, тем меньше уверенность в достоверности показаний средства измерений.

Точность и достоверность результата измерений зависит не только от погрешности СИ, но (особенно в оптической радиометрии! ) и от правильности выбранной методики выполнения измерений (МВИ), представляющей собой установленную совокупность операций и правил при измерении, выпол­нение которых обеспечивает получение результатов измерений с гарантиро­ванной точностью в соответствии с принятым методом. Обычно МВИ регла­ментируется каким-либо нормативно-техническим документом. Именно МВИ в значительной степени влияет на такие важнейшие элементы обеспечения единства измерений, как их воспроизводимость и сходимость.

Воспроизводимостью (результатов) измерений считается 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. ). Воспроизводимость измерений может характеризоваться средними квадратическими погрешностями сравниваемых рядов измерений 1).

Сходимостью (результатов) измерений считается 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. Сходимость измерений двух групп многократных измерений может характеризоваться размахом, средней квадратической или средней арифметической погрешностью.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: