Метрологическое обеспечение технологического процесса изготовления продукции

Техническое средство можно использовать для измерений только в том случае, если оно является средством измерений, т. е. имеет нормированные метрологические характеристики. Утвержденные Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии средства измерений регистрируются в государственном Реестре средств измерений, удостоверяются сертификатами соответствия и только после этого допускаются для применения на территории Российской Федерации, В справочных изданиях принята следующая структура описания средств измерений: регистрационный номер, наименование, номер и срок действия сертификата об утверждении типа средства измерения, местонахождение изготовителя и основные метрологические характеристики.

Основные метрологические характеристики оценивают пригодность средств измерений к измерениям в известном диапазоне с известной точностью и обеспечивают:

• сравнение средств измерений между собой и достижение их взаимозаменяемости;

• возможность установления точности измерений;

• выбор нужных средств измерений по точности и другим характеристикам;

• определение погрешностей измерительных систем и установок;

• оценку технического состояния средств измерений при их поверке. На практике используют следующие метрологические характеристики средств измерений.

Диапазон измерений область знамений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности измерительного прибора (средства измерения).

Диапазон показании — размеченная область шкалы измерительного прибора, ограниченная ее начальным и конечным значениями, т. е. указанными на ней наименьшим и наибольшим возможными значениями измеряемой величины (он может быть шире диапазона измерений).

Предел измерений — наибольшее или наименьшее значение диапазона измерений.

Область рабочих частот (диапазон частот) — полоса частот, в пределах которой погрешность прибора, полученная при изменении частоты сигнала, не превышает допускаемого предела.

Градуированная характеристика — зависимость, определяющая соотношение между сигналами на выходе и входе средства измерений в статическом режиме.

Чувствительность по измеряемому параметру — отношение изменения сигнала на выходе измерительного прибора к вызвавшему его изменению измеряемой величины

где х — измеряемая величина; у — сигнал на выходе; Δх — изменение измеряемой величины; Δу — изменение сигнала на выходе.

Параметры х и у чаще всего выражены в различных единицах, например, миллиметрах и вольтах, миллиметрах и секундах (как в осциллографах). Поэтому величина 5 может иметь, например, размерность мм/В, мм/с и т. д.

Предельная чувствительность (по напряжению, току или мощности) — минимальная величина исследуемого сигнала (напряжения, тока или мощности), подаваемого на вход прибора, которая необходима для получения отсчета с погрешностью, не превосходящей допустимой. Наименьшее значение изменения физической величины, начиная с которого может осуществляться ее измерение, называется порогом чувствительности данного средства измерений.

Время измерения — время, которое требуется для определения значения измеряемой величины с заданной погрешностью.

Разрешающая способность (абсолютная) — минимальная разность двух значений измеряемых однородных величин, которая может быть различима с помощью прибора.

Быстродействие (скорость измерения) — максимальное число измерений в единицу времени, выполняемых с нормированной погрешностью.

Показание — значение измеряемой величины, определяемое по отсчетному устройству прибора и выраженное в единицах этой величины.

Собственная потребляемая мощность Рсо5 -^ мощность, потребляемая от измеряемой цепи (чем Рсоб меньше, тем точнее измерения).

Все перечисленные показатели относятся к метрологическим характеристикам радиотехнических средств измерений. Есть и другие метрологические характеристики средства измерения.

Характерная особенность измерительной техники — широкое распространение измерительных процессов, в которых одновременно участвуют несколько средств измерений, измеряющих разные физические величины и основанных на разных принципах действия. Для обеспечения единства измерений и взаимозаменяемости средств измерений их метрологические характеристики нормируют. Основная нормируемая метрологическая характеристика средств измерений — погрешность, т. е. разность между показанием средства измерения и истинным значением измеряемой величины. Обычно используют нормированное значение погрешности, под которой понимают погрешность, являющуюся предельной для данного типа средств измерений.

Метрологические характеристики нормируют для нормальных условий эксплуатации средств измерений. Нормальными считают условия, при которых изменением метрологических характеристик под воздействием влияющих величин можно пренебречь. Для многих средств измерений нормальными условиями являются: напряжение питающей сети (220 ± 4,4) В с частотой (50 ± 0,5) Гц; температура окружающей среды (20 ± 10) °С; атмосферное давление от 97,4 до 104 кПа; отсутствие электрических и магнитных полей (наводок).

Важной метрологической характеристикой является погрешность средств измерений — инструментальная погрешность измерения.

Инструментальную погрешность средства измерения в нормальной области значений влияющих величин называют основной. Превышение значения влияющей величины за пределы нормальной области может привести к возникновению составляющей инструментальной погрешности, называемой дополнительной. Для средств измерений основная и дополнительная погрешности нормируются отдельно.

Пределы допускаемых дополнительных погрешностей средств измерений устанавливают в виде дольного значения предела допускаемой основной погрешности. Для оценки дополнительных погрешностей в документации на средство измерений указывают нормы изменения показаний при выходе условий измерения за пределы нормальных. Дополнительную погрешность иногда нормируют в виде коэффициента, указывающего «на сколько» или «во сколько раз» изменяется погрешность при отклонении номинального значения. Например, указание, что температурная погрешность вольтметра составляет ± 0,5 % на 10 °С, означает, что при изменении среды на каждые 10 °С добавляется дополнительная погрешность 0,5 %.

При повседневных измерениях повышенная точность не всегда нужна. Однако определенная информация о возможной инструментальной составляющей погрешности измерения необходима и поэтому она должна быть каким-либо образом отражена. Такая информация содержится в указании класса точности средства измерения. Это характеристика зависит от способа выражения пределов допускаемых погрешностей средств измерений.

Класс точности — обобщенная характеристика средств измерений, определяемая пределами допускаемых основных и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами средств измерений, влияющими на точность, значения которых устанавливают в соответствующих стандартах. В стандартах есть такое примечание: «Класс точности средств измерений характеризует их свойства в отношении точности, но не является непосредственным показателем точности измерений, выполненных с помощью этих средств». Это значит, что класс точности дает возможность судить о том, в каких пределах находится погрешность средств измерений одного типа, но не характеризует точности измерений, выполняемых этими средствами, так как погрешность зависит и от метода измерений, и от условий измерений и т. д. Последнее важно учитывать при выборе средства измерения в зависимости от заданной точности измерений.

Впервые термин «класс точности» был введен в тридцатые годы XX в. применительно к стрелочным приборам и определял основную погрешность средств измерений (погрешность средств измерений в нормальных условиях). Введение класса точности преследовало цель классификации средств измерений по точности. Эта характеристика была удобной для приборостроителей, поскольку позволяла четко стандартизировать измерительные приборы в виде регламентированных рядов классов точности. Такое представление в то время было оправдано и характеристикой класс точности можно было руководствоваться при выборе средств измерений, при ориентировочной оценки точности измерений и др. Поскольку в настоящее время схемы и конструкции средств измерений усложнились, а области применения средств измерений весьма расширились, то, как уже отмечалось, на погрешность измерений стали существенно влиять и другие факторы. Область практического применения характеристики класс точности ограничена только такими приборами, которые предназначены для измерения статических величин. В международной практике класс точности устанавливается только для небольшой части приборов.

Средство измерений может иметь два и более класса точности. Например, при наличии у средства измерений нескольких диапазонов измерений одной и той же физической величины ему можно присвоить два или более класса точности. Приборы, предназначенные для измерения нескольких физических величин, также могут иметь различные классы точности для каждой измеряемой величины.

Классы точности присваивают средствам измерений при разработке на основании исследований и испытаний их представительной партии. Обычно их устанавливают в технических условиях (иногда в стандартах) на средство измерений. Пределы допускаемых погрешностей нормируют и выражают в форме абсолютной относительной или приведенной погрешностей (далее индекс для упрощения опущен). Форма выражения зависит от характера изменения погрешностей в пределах диапазона измерений, а также от условий применения и назначения средства измерения. Пределы допускаемых погрешностей средств измерений определяют аналогично погрешностям измерений соответственно Если известен класс точности средства измерения, то из него можно найти максимально допустимое значение абсолютной погрешности для всех точек диапазона измерений.

Абсолютная погрешность средств измерений Лси = А состоит из аддитивной и мультипликативной составляющих. Аддитивная составляющая образуется, например, из-за неточности установки на нуль перед измерением и т. д. Мультипликативные погрешности появляются вследствие изменения коэффициента усиления усилителя, коэффициента передачи цепи

Предел допускаемой абсолютной дополнительной погрешности средства измерения Δдсн может указываться в виде:

• постоянного значения для всей рабочей области влияющей величины;

• отношения предела допускаемой дополнительной погрешности, соответствуюшего предписанному интервалу влияющей величины, к этому интервалу;

• зависимости предела погрешности средства измерений ΔдСИ от влияющей величины.

Примеры обозначения классов точности средств измерений приведены в табл. 1.2.

Методики выполнения измерений

Методика выполнения измерений (МВИ; иногда упрощенно — методики измерений) — документированная совокупность операций и правил, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с гарантированной точностью в соответствии с принятым методом. Следовательно, современные МВИ играют решающую роль в метрологическом обеспечении измерений. Как метрологический объект МВИ появились в 1972 г. При разработке Государственной системы обеспечения единства измерений (гл. 2) оказалось недостаточно иметь средства измерений, характеристики которых удовлетворяют традиционным требованиям, поскольку погрешность измерения часто зависит от методики измерения: погрешности метода; условий измерений и т. д.

Общие требования к разработке, оформлению, аттестации, стандартизации МВИ и метрологическому надзору за ними регламентируют ГОСТ Р 8.563-96 и МИ 2377-98. Данные нормативные документы касаются подавляющего большинства проводимых измерений. Исключения составляют МВИ, при использовании которых погрешности измерений определяются в процессе или после их применения. Измерения такого рода весьма немногочисленны и осуществляются главным образом в научных исследованиях, а также при проведении экспериментов. Порядок разработки, применения и требования к таким МВИ определяют использующие их организации.

Разрабатывают МВИ на основе исходных данных, включающих:

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

• требования к погрешности измерений;

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

• вид индикации и формы представления результатов измерений;

• требования к автоматизации измерительных процедур;

• требования к обеспечению безопасности выполняемых работ;

• другие требования, если в них есть необходимость.

Совокупность операций и правил, обеспечивающая получение результатов измерений с известной погрешностью, отмечает два важных признака: МВИ представляет собой описание операций и в ней предписывается погрешность измерения Разработка МВИ, как правило, включает следующие этапы: написание, согласование и утверждение технического задания на разработку МВИ; формирование исходных данных для разработки; выбор (или разработка) метода и средств измерений, осуществляемый на основе нормативных документов.

В документах на МВИ указывают:

• назначение МВИ;

• условия и методы измерений;

• требования к погрешности измерений и (или) ее приписанные характеристики;

• требования к СИ, вспомогательным устройствам, материалам.

Выбор средства измерения — сложная задача, решение которой следует проводить на основе определенного технико-экономического критерия. В этом случае получаемое решение соответствует оптимальному выполнению таких требований к измерению, как;

• минимальные затраты, обеспечение необходимой точности и достоверности;

• установление последовательности и содержания операции при подготовке и выполнении измерений, обработке промежуточных результатов и вычисление окончательных результатов измерений;

• установление приписанных характеристик погрешностей измерений — характеристик погрешности любого результата совокупности измерений, полученного при соблюдении требований и правил данной методики; способы выражения приписанных характеристик должны соответствовать заданным в исходных данных;

• подготовку нормативов и процедур контроля точности получаемых результатов измерении,

• составление документа на МВИ;

• метрологическая экспертиза проекта документов на МВИ — анализ и оценка выбора методов и средств измерений, операций и правил проведения измерений и обработки их результатов с целью установления соответствия МВИ предъявляемым метрологическим требованиям;

• аттестация МВИ.

Аттестация МВИ— установление и подтверждение ее соответствия предъявляемым к ней метрологическим требованиям. Осуществляют аттестацию путем метрологической экспертизы документации, теоретических или экспериментальных исследований МВИ. Аттестованные МВИ подлежат метрологическому надзору и контролю. При аттестации МВИ допускается указывать типы средств измерения, их характеристики и обозначения документов, где приведены требования к средству измерений:

• операции по подготовке к выполнению измерений;

• операции при выполнении измерений;

• операции обработки и вычисления результатов измерений;

• нормативы, процедуру и периодичность контроля погрешности результатов выполняемых измерений;

• требования к оформлению результатов измерений;

• требования к квалификации операторов;

• требования к обеспечению безопасности выполняемых работ;

• требования к обеспечению экологической безопасности.

Как следует из определения, МВИ представляет собой технологический процесс измерения. Поэтому нельзя смешивать МВИ и документ на МВИ, поскольку не все методики описаны соответствующим документом. Для измерений, проводимых с помощью простых показывающих приборов, не требуется особых документированных МВИ. В этих случаях достаточно в нормативной документации указать тип и основные метрологические характеристики средств измерений