авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 |
-- [ Страница 1 ] --

МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ

ОБЕСПЕЧЕНИЕ И КОНТРОЛЬ

КАЧЕСТВА МАТЕРИАЛОВ И

ИЗДЕЛИЙ

Монография

УДК

ББК

К

Рецензенты:

д.т.н., профессор, Президент, академик Украинской технологической академии

В.П.Нестеров (Киев, Украина),

д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Технология швейных изделий» Новосибирского технологического института МГУДТ

(НТИ МГУДТ) Н.С.Мокеева (Новосибирск, Россия), д.т.н., профессор кафедры «Машина и оборудование предприятий стройиндустрии» Шахтинского института Южно Российского государственного технического университета (ШИ ЮРГТУ (НПИ) В.И.Юрченко (Шахты, Россия) М Метрологическое обеспечение и контроль качества материалов и изделий: монография [Текст] / Н.Г.Никуличева [и др].;

под общей редакцией д.т.н., проф. В.Т. Прохорова.– Шахты: Изд-во ГОУ ВПО «ЮРГУЭС» – с.

ISBN В коллективной монографии авторы уделили внимание вопросам метрологического обеспечения и контроля качества конкурентоспособных и востребованных материалов и изделий на примере отечественных предприятий легкой промышленности. Авторы показали взаимосвязь между качеством измерительной информации (точности, достоверности результатов измерений, испытаний и контроля) и качеством выпускаемой продукции;

доказали значение статистических методов контроля в общей системе регулирования технологического процесса выпуска продукции высокого качества, используя большой фактический материал из опыта работы предприятий.

Монография представляет научный и практический интерес для преподавателей и студентов вузов, колледжей, а также широкого круга читателей, и практиков, занятых в сфере производства востребованной продукции.

УДК ББК ISBN © Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса, © Коллектив авторов, ОГЛАВЛЕНИЕ ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ ГЛАВА 1. РОЛЬ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ В ПОВЫШЕНИИ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ 1.1 Структура метрологического обеспечения 1.2 Научно-технические основы метрологического обеспечения 1.2.1 Установление рациональной номенклатуры измеряемых (контролируемых) параметров 1.2.2 Выбор точности измерений 1.2.3 Установление рациональной номенклатуры характеристик погрешности измерений 1.3 Разработка и метрологическая аттестация методик измерений, испытаний и контроля 1.4 Обеспечение процессов измерений, испытаний и контроля соответствующими техническими средствами 1.

5 Поддержание технических средств в метрологически исправном состоянии 1.5.1 Статические характеристики и параметры средств измерений 1.5.2 Динамические характеристики средств измерений 1.5.3 Характеристики чувствительности средств измерений к влияющим величинам ГЛАВА 2. РОЛЬ МЕТРОЛОГИЧЕСКОЙ СЛУЖБЫ ПРЕДПРИЯТИЯ В УЛУЧШЕНИИ КАЧЕСТВА ВЫПУСКАЕМОЙ ПРОДУКЦИИ 2.1 Основные задачи метрологической службы 2.2 Структура метрологической службы 2.3 Обязанности метрологической службы 2.4 Права метрологической службы ГЛАВА 3 МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ДЛЯ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ 3.1 Классификация основных видов испытаний 3.2 Объективные методы определения показателей качества 3.3 Эвристические методы определения показателей качества 3.4 Методы и приборы для оценки качества ткани 3.5 Методы и приборы для оценки качества трикотажных изделий 3.6 Методы и приборы для оценки качества обуви ГЛАВА 4. СТАТИСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА В СИСТЕМЕ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ВЫПУСКА ПРОДУКЦИИ 4.1 Изменчивость элементов производственного процесса 4.2 Основные законы распределения производственных погрешностей 4. 3 А н а л и з п р о б л е м п р е д п р и я т и я с п о м о щ ь ю диаграммы Парето 4. 4 О с у щ е с т в л е н и е н а б л ю д е н и й з а к а ч е с т в о м продукции с помощью гистограммы 4.4.1 Событие и его вероятность 4.4.2 Случайная величина и законы ее распределения 4.4.3 Нормальный закон распределения ВВЕДЕНИЕ Уважаемый читатель!

В ваших руках коллективная монография «Метрологическое обеспечение и контроль качества материалов и изделий», подготовленная авторским коллективом ученых ГОУ ВПО «ЮРГУЭС», учеными других вузов России и стран СНГ, чья озабоченность за судьбу отечественных отраслей промышленности, выпускающих материалы и изделия для отечественных потребителя, заставила нас поделиться с Вами своими сомнениями, размышлениями и предложениями о путях их развития.

Эта озабоченность вполне оправдана, так как уже многие годы продолжается спад объемов производства товаров легкой промышленности.

Кроме того, государство устранилось от решения проблем, которые как снежный ком обрушились на большинство предприятий, в том числе и некогда бывших флагманов этой самой легкой промышленности.

Так, например, розничный оборот торговли России за 9 месяцев 2008 года оценивается в 8211 млрд. рублей, при этом непродовольственные товары составили 56,7% от оборота. Товаров легкой промышленности реализовано на 1122,7 млрд. рублей, что составляет 13,6% от всего оборота рынка. При этом рост товарооборота по этой группе товаров (около 13% ежегодно) осуществляется в основном за счет импорта (80% в объемах реализуемых товаров), в то время как отечественное производство или сворачивается или растет недостаточными темпами (здесь больше от лукавого, так как большинство предприятий уже давно перестали быть рентабельными, объявляя себя или банкротами, или влачат жалкое существование, продолжая попадать в долговую яму, откуда выход один – они будут объявлены банкротами и прекратят существование, выбросив на улицу новую серию безработных). Это объясняется тем, что большая часть продукции рынка приходится на незаконно произведенные и незаконно ввезенные товары (60%), что свидетельствует о непрозрачности рынка и его нецивилизованности.

Такое состояние отечественного рынка превышает пороговые значения экономической безопасности страны и свидетельствует о необходимости принятия мер по защите этого рынка и обеспеченности его прозрачности и цивилизованности.

Кроме того, государству необходимо обеспечивать контроль за ценами и тарифами и сохранять такой их уровень, который гарантировал бы как производству, так и торговле не только возмещение обоснованных затрат, но и накопление средств для развития производства. И это непраздные вопросы и желание поплакаться в жилетку.

Для предприятий легкой промышленности, поставляющих продукцию преимущественно на отечественный рынок, вопросы его прозрачности, установления справедливых правил «игры» участников рынка, равного доступа на рынок отечественных и иностранных производителей, устранения неравноправной конкуренции его участников, очень важны и напрямую влияют на результаты работы наших отечественных предприятий.

Естественно, что значительной стороной торговой деятельности государства является деятельность по реализации продукции отечественных предприятий легкой промышленности, как стабильного канала постоянного наполнения бюджета, обеспечения занятости населения особенно для средних и малых городов России, эффективного функционирования отечественного бизнеса, а также для сохранения условий квалификационного роста работающих и сохранения традиционных многовековых национальных промышленных знаний. Это особенно актуально для легкой промышленности.

Для отечественных поставщиков эти материальные и финансовые условия доступа отечественной продукции к работе с розничной торговлей. Эти требования должны быть едиными для всех поставщиков продукции на внутренний рынок. Сегодня же крупные торговые сети выдвигают требования поставки продукции без предоплаты, ограничения допуска к поставке без уплаты специальных сборов и других бонусов, которые по существу являются компенсацией части издержек торговли, требования минимального ограничения цен поставки и их унификации по регионам, 100% возврат непроданной продукции и другие дискриминационные требования.

Регулирование этих вопросов не нашло отражения ни в проекте закона «О государственном регулировании торговой деятельности», ни в планах мероприятий по решению проблемы совершенствования внутренней торговли в целом. Вместе с тем, зарубежные страны (Япония, Китай), работающие в условиях ВТО, позволяют себе устанавливать предельные размеры торговых надбавок, а также ограничивать допуск крупных торговых сетей на свои рынки без обременения их обязательствами, иметь на своих прилавках определенную долю продукции отечественного производства, изъятия сверхприбылей, полученных от использования накрученных торговых наценок. В наших российских условиях разрыв в ценах производителей и продавцов отдельных групп продукции легкой промышленности расходится в разы (от 2 до 4 раз).

Таким образом, страдает не только потребитель из-за увеличения цен, но и вся полученная прибыль преимущественно остается в торговле, в то время как производители, работая на нижнем пределе рентабельности, не имеют средств на развитие производства и своей продукции. Такое дискриминационное распределение прибыли приводит к монопольному диктату продавцов и серьезно сдерживает развитие отечественной легкой промышленности.

Динамика развития рынка в последние десятилетия прошлого столетия и в начале третьего тысячелетия неизменно показывает усиление интереса потребительского спроса к качеству товара. При всех экономических, социальных и политических издержках человечество богатеет и богатства распределяются неравномерно. Финансы, как и ранее, концентрируются в определенных регионах, впрочем, так же, как и премьеры современного производства. Курс на качество товаров аналитиками прогнозируется уверенно и повсеместно. Потребитель осознал необходимость платить за преимущество качественных услуг и изделий. Очередь за производителем, который должен замкнуть в уме «жадность» и «смертный грех», чтобы сжечь алчность.

Виднейшие экономисты однозначно заявляют, что повышение качества товаров не связано причинно-следственным ростом цены. Положительные изменения качества товаров предполагают качественные сдвиги в технике, технологии, организации и управлении производством. Производство должно совершенствоваться, что не означает становиться более затратным.

И ещё хотелось бы обратить внимание на одно, обычно ускользающее в проблемной суете, явление – историчность экономики. Такой, какой мы ее воспринимаем сейчас, экономика была не всегда и навсегда не останется.

Экономическая жизнь изменяется во времени, что заставляет нас настраиваться не ее изменяющееся бытие. Современная экономика построена на рыночном фундаменте и законы рынка диктуют ей свои правила. На первом плане прибыль, конкуренция, эффективность, единоначалие. Долго ли так будет продолжаться? Аналитики утверждают, что уже нарастают симптомы нового экономического порядка. Очередной виток экономической спирали также закрутится вокруг рыночного стержня, но значение рынка не останется тотальным. Приоритет рыночной конкуренции, агрессивно вытесняющей на обочину «социалку», не совместим с перспективой экономического развития, подтверждением чего служит устойчивое стремление социал-демократии на Западе развернуть экономику фронтом на социальное обеспечение, справедливое распределение прибыли. Новую экономику именуют временно «рачительной». Она требует гуманизации не только в распределении национального богатства. Гуманизируется и само производство, включая систему управления. Нынешний принцип: «выживает сильнейший, наиболее приспособленный», сменит «социально-производственное партнерство – управляющий и изготовитель сделаются членами одной команды. Массовое производство уступит место организации, соответствующей реализации принципа – «производитель изготавливает именно то, что нужно потребителю».

«Рачительная» экономика будет ориентирована на ресурсосберегающие технологии и экологичность производства. Она потребует нового взгляда на коренные понятия. Изменится и философия качества. Надо быть готовым к грядущим событиям.

Главное в производстве – результат, а не процесс. Потребление регулирует рынок. Следовательно, требования рынка должны доминировать в производстве. Задача общества – всемирно способствовать развитию спроса на рынке: поддерживать ассортимент товаров, стимулировать стабильность цен, повышать покупательную способность, улучшать качество товаров. Э. Деминг, называя «сеть смертельных болезней» современного производства, на первое место ставит «планирование производства, не ориентированное на такие товары и услуги, на которые проявляет спрос рынок». Попробуйте ему возразить. Производство при переходе от индустриального к постиндустриальному обществу массового потребления мыслится в качестве функции рынка.

Качество деятельности – финишный критерий ее индивидуального, коллективного и национального статуса. Именно в качестве аккумулируется энергия созидания. Качество деятельности свидетельствует насколько мы проникли в сущность вещей, научились управлять вещами, изменять их свойства, форму, заставляя служить человеку, без существенного ущерба природе. Качество позволяет в новых ракурсах увидеть и самого человека, воздать должное его таланту, воле, профессионализму. Исследования, проведенные по программе развития в ООН, позволили измерить долю «человеческого фактора» в национальном и общемировом богатстве: 65% богатства мирового сообщества составляет вклад человеческого потенциала и только треть мирового богатства приходится на природные ресурсы и производственную структуру.

При этом нами определены цели, задачи и структура метрологической службы предприятия по повышению эффективности производства и улучшению качества выпускаемой продукции, а именно:

систематический анализ состояния измерений и метрологического обеспечения производства;

разработка планов организационно-технических мероприятий по дальнейшему повышению эффективности производства на основе совершенствования метрологического обеспечения;

организация и участие в проведении метрологической экспертизы конструкторской и технологической документации на продукцию, вырабатываемую на предприятии;

участие в разработке новых видов продукции и технологических процессов, в проверке технологического оборудования на соответствие установленным нормам точности, проведение работ по метрологическому обеспечению подготовки производства;

оказание помощи потокам и подразделениям предприятия в освоении и контроль правильности применения новых средств измерений поступающих в эксплуатацию;

участие в комиссиях по приему в эксплуатацию новых и модернизируемых объектов предприятия используемые средства измерений;

ведение учета средств измерений. Составление списков СИ, подлежащих поверке, представление их в ЮМТУ ЮФО;

разработка и согласование с Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии графиков периодической поверки средств измерений, подлежащих обязательной государственной поверке и организацию своевременного представления средств измерений на периодическую поверку;

изучение потребности в средствах измерений, контроля и испытаний, подготовка предложений по их приобретению, согласование и формирование заявок от подразделений на приобретение средств измерений и контроль за их реализацией, участие в списании СИ;

контроль правильности монтажа измерительной техники;

контроль соблюдения требований договорных отношений по техническому обслуживанию поверке и ремонту средств измерений предприятия, контроль наличия лицензии на право ремонта СИ;

обеспечение и контроль соблюдения требуемых условий проведения измерений;

проведение работ по повышению квалификации работников, пользующихся измерительной техникой;

осуществление метрологического надзора за состоянием и применением средств измерений, соблюдением метрологических правил и норм, нормативных документов по обеспечению единства измерений;

ведение установленной документации и предоставление требуемой отчетности;

осуществление взаимодействия с Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии, органами государственной метрологической службы по вопросам обеспечения единства измерений, оказания содействия при осуществлении ими государственного метрологического контроля и надзора.

проведение работ по устранению недостатков, выявленных в ходе государственного метрологического надзора.

Оправданным является включение в монографию роли методов и приборов для оценки качества материалов и изделий с описанием статистических методов контроля качества в системе регулирования технологического процесса выпуска продукции.

ГЛАВА 1. РОЛЬ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ В ПОВЫШЕНИИ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ Вся метрологическая деятельность в Российской Федерации опирается на конституционную норму (статья 71), которая устанавливает, что в федеральном ведении находятся стандарты, эталоны, метрическая система и исчисление времени, и закрепляет централизованное руководство основными вопросами законодательной метрологии, такими, как установление единиц физических величин, эталонов, связанных с ними других метрологических основ. В рамках подтверждения этой конституционной нормы были приняты Федеральные Законы обеспечении единства измерений» и техническом «Об «О регулировании», разъясняющие и детализирующие основы метрологической деятельности в Российской Федерации.

1.1 Структура метрологического обеспечения Понятие «метрологическое обеспечение» применяется в основном по отношению к измерениям, испытаниям и контролю. В то же время метрологическое обеспечение присутствует на всех уровнях управления производством.

Метрологическое обеспечение измерений всегда включает в себя ряд регламентирующих операций, среди которых:

задание требований к показателям достоверности результатов измерений;

планирование измерений при разработке методик выполнения измерений;

выбор средств измерений и измерительного оборудования с учетом заданных показателей достоверности результатов измерений;

статистическая обработка результатов измерений и оценка достоверности их результатов;

организация и проведение контроля показателей достоверности результатов измерений, в частности организация и проведение измерений в других местах (межлабораторное сличение).

Структура метрологического обеспечения измерений приведена на рисунке 1.1.

Научной основой метрологического обеспечения является метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Метрологическое обеспечение Научная Нормативная Техническая Организационная основа основа основа основа Сеть Государствен- Комплекс государственной ная система государствен- и ведомственных обеспечения ных метроло- метрологических Метрология единства гических систем служб измерений Рис. 1.1 Структура метрологического обеспечения измерений Важной особенностью метрологического обеспечения измерений является его нормативная основа. В Российской Федерации создана и действует Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ), представляющая собой комплекс нормативных документов межрегионального и межотраслевого уровней, устанавливающих правила, нормы, требования, направленные на достижение и поддержание единства измерений в стране (при требуемой точности), утверждаемых Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии. Ряд положений ГСИ установлен в ГОСТ Р 8.000 2000 «ГСИ. Основные положения». Объектами ГСИ являются:

- единицы физических величин;

- государственные эталоны и общесоюзные поверочные схемы;

- методы и средства поверки средств измерений;

- номенклатура и способы нормирования метрологических характеристик средств измерений;

- нормы точности измерений;

- способы выражения и формы представления результатов и показателей точности измерений;

- методики выполнения измерений;

- методики оценки достоверности и формы представления данных о свойствах веществ и материалов;

- требования к стандартным образцам свойств веществ и материалов;

- термины и определения в области метрологии;

- организация и порядок проведения государственных испытаний средств измерений, поверки и метрологической аттестации средств измерений и испытательного оборудования;

калибровки средств измерений, метрологической экспертизы нормативно-технической, проектной, конструкторской и технологической документации, а также экспертизы и данных о свойствах используемых материалов и веществ.

метрологического обеспечения является Теоретической основой комплекс государственных систем:

• государственных эталонов единиц физических величин, состоящая из 114 государственных и более 250 вторичных эталонов;

• передачи размеров единиц физических величин от эталонов к рабочим средствам измерений;

• разработки, постановки на производство и выпуска в обращение средств измерений;

• государственных испытаний средств измерений;

• государственной поверки и калибровки средств измерений;

• стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов;

• стандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществ и материалов.

метрологического обеспечения является Организационной основой метрологическая служба Российской Федерации. Она состоит из Государственной метрологической службы возглавляемой (ГМС), Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии (Ростехрегулирование), а также метрологических служб государственных органов управления Российской Федерации и юридических лиц, образующих покрывающую всю страну сеть учреждений и организаций. В своей работе метрологическая служба Российской Федерации базируется на основных положениях законодательной метрологии.

1.2 Научно-технические основы метрологического обеспечения На современном этапе развития народного хозяйства метрологическое обеспечение из чисто прикладного, направленного в основном на обеспечение совершенствования процессов разработки, производства и эксплуатации измерительных приборов и систем, превратилось в активный и реальный инструмент, обеспечивающий создание эффективных технологических процессов, внедрение гибких автоматизированных производств, достоверную оценку и контроль качества готовой продукции.

В свете новых задач метрологическое обеспечение может быть определено как комплекс организационно-технических мероприятий, обеспечивающих получение и использование результатов измерений требуемой точности. К числу этих мероприятий, специфичных для практики метрологического обеспечения качества выпускаемой продукции относятся:

• выбор номенклатуры параметров материалов, изделий, процессов, подлежащих оценке при измерениях, испытаниях, контроле;

• выбор номенклатуры и числовых значений показателей точности (достоверности) результатов измерений, испытаний и контроля, форм их представления, обеспечивающих оптимальное решение задач, для которых эти результаты предназначены;

• метрологическая экспертиза проектной, конструкторской и технологической документации с целью контроля правильности результатов решения двух предыдущих задач;

• планирование процессов измерений, испытаний и контроля, разработка и метрологическая аттестация методик измерений, испытаний и контроля;

• обеспечение процессов измерений, испытаний и контроля соответствующими техническими средствами (выбор средств измерений из числа серийно выпускаемых или разработка и аттестация нестандартизованных средств измерений);

• поддержание технических средств измерений, (средств испытательного оборудования, средств контроля) в метрологически исправном состоянии;

• выполнение процессов измерений, испытаний и контроля, обработка их результатов (в тех случаях, когда это требуется);

• обучение и повышение метрологической квалификации инженерно технических работников, связанных с получением и использованием результатов измерений, испытаний и контроля.

Комплекс указанных мероприятий по метрологическому обеспечению осуществляют технические службы предприятия, связанные с обработкой информации, с нормативным и приборным обеспечением процессов ее получения.

Выбор рациональной номенклатуры измеряемых (контролируемых) величин, параметров осуществляют конструкторы, разработчики новых материалов, изделий или процессов на основе изучения и моделирования их (материалов, изделий или процессов) свойств.

Выбор норм точности осуществляют те, для кого они предназначены и кто будет производить, обмениваться (при торговле) или использовать новые вещества, изделия, процессы.

Метрологическую экспертизу – профессионально подготовленные группы экспертов, включающие конструкторов, технологов и специалистов ведомственных метрологических служб.

Планирование и проведение измерений, испытаний и контроля – научно-технический персонал, разрабатывающий и осуществляющий технологические процессы изготовления материалов и изделий.

Обеспечение процессов измерений, испытаний и контроля техническими средствами – в централизованном порядке министерства, являющиеся разработчиками средств измерений, испытаний и контроля;

в децентрализованном (например, нестандартизованные средства измерений и контроля, испытательное оборудование) – предприятия и организации, выполняющие операции измерений, испытаний и контроля.

Поддержание технических средств в исправном состоянии – технические службы, осуществляющие поверку, аттестацию и ремонт средств измерений, испытаний и контроля.

1.2.1 Установление рациональной номенклатуры измеряемых (контролируемых) параметров Для установления рациональной номенклатуры измеряемых (контролируемых) параметров, подлежащих контролю при изготовлении комбикормов технологу технологических процессов их (разработчику изготовления) необходимо в общем случае располагать следующей информацией:

значениями допусков ( хнi, хвi) на те параметры (Хi), которые 1) априорно предполагается оценивать при контроле изделий;

числовыми характеристиками распределений значений 2) параметров в пределах заданных допусков при серийном изготовлении изделий – средними значениями хi и средними квадратическими отклонениями от средних значений хi;

видами законов распределения значений параметров;

3) данными о наличии корреляционных связей между параметрами 4) и значениями попарных (rij) коэффициентов корреляции;

допускаемыми значениями вероятностей ошибок контроля 5) первого (Р1д) и второго (Р2д) рода.

Простейшая реальная задача, решение которой необходимо для 6) рационального выбора номенклатуры контролируемых параметров, исключения избыточных значениями допусков ( хнi, хвi) на те параметры (Хi), которые априорно предполагается 7) оценивать при контроле изделий;

числовыми характеристиками распределений значений 8) параметров в пределах заданных допусков при серийном изготовлении изделий – средними значениями хi и средними квадратическими отклонениями от средних значений хi;

видами законов распределения значений параметров;

9) данными о наличии корреляционных связей между параметрами 10) и значениями попарных (rij) коэффициентов корреляции;

допускаемыми значениями вероятностей ошибок контроля 11) первого (Р1д) и второго (Р2д) рода.

Простейшая реальная задача, решение которой необходимо для рационального выбора номенклатуры контролируемых параметров при разработке нормативных документов заключается в следующем: требуется определить вероятность того, что если измеренное в процессе контроля изделия значение параметра Х1(Х2) лежит в границах заданных допусков, то и значение параметра Х2(Х1) также лежит в границах заданных для него допусков.

События, соответствующие наименьшему значению этой вероятности, определяются неравенствами:

хн2 (хн1) х2(х1) хв2(хв1)/ х1(х2) = хн1(хн2), (1.1) хн2 (хн1) х2(х1) хв2(хв1)/ х1(х2) = хв1(хв2), (1.2) из которых следует: значение параметра Х2 (или Х1)находится в пределах заданных допусков хн2 (или хн1), хв1(или хв2), когда (при условии, что) измеренное значение другого параметра Х1 (или Х2) лежит на нижней (1) или верхней (2) границах допусков.

Общим принципом решения задачи является определение условных вероятностей:

Р11 (хн2 х2 хв2 /х1 = хн1);

(1.3) Р12 (хн2 х2 хв2 /х1 = хв1);

(1.4) или Р21 (хн1 х1 хв1 /х2 = хн2);

(1.5) Р22 (хн1 х1 хв1 /х2 = хв2). (1.6) Если полученные значения вероятностей Р11 и Р12 больше или равны допускаемому значению Рд, то целесообразно осуществлять контроль лишь параметра Х1, не контролируя параметр Х2, т.е. параметр Х2 из рационализированной номенклатуры исключается. Если Р21 и Р22 больше или равны Рд, то исключается параметр Х1.

Значение Рд может быть принято равным:

Рд = 1 – Р2, (1.7) где Р2 - вероятность ошибки контроля второго рода исключаемого параметра.

Вероятность ошибки контроля первого рода при этом можно не учитывать, так как при выходе значений оставшегося контролируемого параметра за границы допусков уже будет брак.

В ряде случаев может оказаться, что все вероятности Р11, Р12, Р21, Р больше Рд. Тогда вопрос об исключении решается, исходя из технико экономических соображений. Например, путем сопоставления сложности или стоимости процессов контроля.

1.2.2 Выбор точности измерений В общем случае оптимальный выбор норм точности измерений базируется на сопоставлении и анализе целевых функций, характеризующих уровень оптимальности решения задач, для которых предназначены результаты измерений, и зависящих от значений погрешностей измерений. Если имеется возможность оценить прямой экономический выигрыш от повышения точности измерений, то в качестве целевой функции Fц целесообразно выбрать функцию затрат, связанных с использованием результатов измерений ограниченной точности (погрешности ) и проведением комплекса организационно технических мероприятий по повышению точности измерений (разработкой и аттестацией более совершенных методик выполнения измерений, приобретением и применением средств измерений повышенной точности, их метрологическим обслуживанием). Естественно, при этом накладываются ограничения на практически возможный уровень точности измерений, обусловленный точностными возможностями рабочих средств измерений.

Например, при выборе норм точности измерений, результаты который используются при учетных операциях, и погрешность измерений характеризует прямые потери учитываемого продукта, целевая функция имеет вид:

Fц = Сп • V• +Ср, (1.8) где Сп – стоимость единицы (кг, м3) учитываемого продукта;

V - количество продукта, измеряемое одним прибором за масштабную единицу времени (месяц, год и т.д.);

Ср – затраты на разработку (приобретение), применение и метрологическое обслуживание (поверку, аттестацию, ремонт) прибора, обеспечивающего измерение количества учитываемого продукта с погрешностью, не превышающей.

Следует отметить, что потери при учете, связанные с положительными и отрицательными погрешностями применяемых средств измерений, не компенсируются.

И в том, и в другом случае предприятие поставщик несет примерно одинаковые убытки.

При отрицательных погрешностях за счет прямых потерь продукта, при положительных – за счет санкций, штрафов и т.п.

Оптимальным является такое значение погрешности, при котором достигается минимум целевой функции, т.е. искомое значение о дает решение уравнения:

F CV C 0. (1.9) = + = В тех случаях, когда экономические потери, связанные с погрешностью измерений, оценить невозможно, в качестве целевых функций используют критерии оптимальности (качества) решения задач, для которых предназначены результаты измерений. Наличие взаимосвязи этих критериев с погрешностью измерений позволяет осуществить целенаправленный выбор таких значений погрешности, которые обеспечивают требуемые значения (заданные) критериев.

1.2.3 Установление рациональной номенклатуры характеристик погрешности измерений Каждый результат измерений, предназначенный для практического использования, должен сопровождаться указанием значений характеристик погрешности измерений, на основе которых он получен.

Все практически используемые характеристики погрешности измерений могут быть разбиты на две группы, отличающиеся областью применения и способами выражения.

К первой группе относятся характеристики, задаваемые в виде требований или допускаемых значений в конструкторско (норм) технологической документации, нормативных документах, а также приписываемые методикам выполнения измерений на основании их метрологической аттестации.

Характеристики этой группы являются вероятностными, отражающими вероятностные свойства генеральной совокупности случайной величины – погрешности измерений. Значения этих характеристик (пределы допускаемых значений или максимально возможные значения) приписываются всей возможной совокупности результатов измерений, выполняемых по определенным, фиксируемым в технической документации правилам или по аттестованным методикам выполнения измерений.

Основной областью применения характеристик этой группы являются массовые технические измерения, выполняемые при технологической подготовке производства, в процессе производства (испытаниях, контроле), эксплуатации и потребления продукции.

Ко второй группе относятся характеристики, оцениваемые непосредственно в процессе выполнения измерений и обработки их результатов. Данные характеристики являются статистическими (выборочными) оценками характеристик погрешности первой группы и отражают близость отдельного результата измерений (для которого они оценены) к истинному значению измеряемой величины. Основной областью их применения являются измерения, выполняемые при проведении научных исследований и метрологических работ (например, определения свойств и состава стандартных образцов, аттестации средств измерений.

В зависимости от назначения результатов измерений, сложности и ответственности решаемых с их использованием задач номенклатура выбираемых характеристик погрешности измерений может быть различной.

Однако во всех случаях она должна обеспечивать возможность сопоставления и совместного использования результатов измерений, достоверную оценку качества и эффективности решаемых измерительных задач. Это означает, что выбираемые характеристики должны быть связаны с соответствующими критериями качества и эффективности решения этих задач.

Указанным требованиям удовлетворяют следующие комплексы характеристик погрешности измерений, применение которых рекомендовано МИ 1317-86:

- границы (нижняя L и верхняя h), в пределах которых погрешность измерений находится с заданной вероятностью Р;

- среднее квадратическое отклонение погрешности измерений;

- характеристики случайной и неисключенной систематической погрешности измерений.

Способы представления указанных характеристик (нормирования) погрешности (их числовых значений) различны в зависимости от того, к какой из приведенных выше групп они относятся. Так, вероятностные характеристики, задаваемые в виде требований к измерительным процессам нормируются и указываются в технической документации пределами допускаемых значений. Например, пределом р допускаемых значений среднего квадратического отклонения погрешности измерений;

нижней h и p верхней h границами допускаемого интервала, в котором погрешность p измерений находится с вероятностью, равной 1 (Р = 1) и т.п.

Вероятностные характеристики, приписываемые методикам выполнения измерений на основании их метрологической аттестации, указываются в виде наибольших возможных или приписанных значений, например, наибольшего возможного значения м среднего квадратического отклонения погрешности измерений, нижняя l и верхняя h границы максимально возможного м м интервала, в котором погрешность измерений, выполняемых по аттестованной методике, находится с вероятностью Р ( в особо важных, ответственных случаях Р может быть принято равной 1) и т.п.

Границы, в пределах которых погрешность измерений находится с заданной вероятностью Р, целесообразно нормировать в тех случаях, когда результаты измерений являются окончательными, пригодными для решения определенной технической задачи и не предназначены для совместного использования с другими результатами измерений при оценках, расчетах, вычислениях.

В случае необходимости и интервальные характеристики можно использовать при расчетах погрешностей, косвенно определяемых по любым аналитическим зависимостям величин. Однако оценки погрешности получаются при этом весьма грубыми.

Среднее квадратическое отклонение погрешности измерений (комплексно характеризующее и случайную и несключенную систематическую составляющие погрешности измерений) целесообразно нормировать тогда, когда характеристики погрешности определяются расчетным путем по нормированным значениям их частных составляющих, и в тех случаях, когда не интересуются той частью погрешности, которую можно компенсировать повторными измерениями.

Раздельное нормирование характеристик случайной и несключенной систематической составляющей погрешности измерений целесообразно применять в тех случаях, когда результаты измерений используются (могут использоваться) совместно с другими результатами измерений, а также когда эти (точечные) характеристики необходимо или удобно использовать для расчетов функционально связанных с ними величин (например, функций потерь, критериев эффективности и т.п.).

Там, где в номенклатуру показателей входят точечные характеристики (средние квадратические отклонения) погрешности измерений, целесообразно (если это возможно и необходимо) указывать теоретический вид или качественное описание (например, симметричное, одномодальное и т.п.) распределения генеральной совокупности, из которой отобраны данные для оценки этих характеристик, а также число n данных. Такое указание позволит (если возникнет необходимость) перейти от точечных характеристик к интервальным с наименьшими потерями точности.

1.3 Разработка и метрологическая аттестация методик измерений, испытаний и контроля Методика выполнения измерений (МВИ) – это совокупность метода, технических средств и правил подготовки и проведения измерений, обработки и представления результатов (сокращенно – правила измерений).

Правила измерений – это комплекс требований к содержанию, последовательности и условиям выполнения всех операций (действий), обеспечивающих полное решение данной измерительной задачи, т.е. получение информации об измеряемой величине определенным методом с помощью определенных технических средств и представление этой информации в удобной для дальнейшего использования форме.

К техническим средствам, являющимся вторым элементом МВИ, относятся как собственно средства измерений, так и вспомогательные устройства, необходимые для подготовки и выполнения измерений, обеспечения определенных условий и режимов измерений (например, термостатирующие и экранирующие устройства, каналы связи, виброгасители, средства автоматизированной обработки и т.п.).

Третий элемент МВИ – метод измерений. Это понятие часто путают то с (более частным) физическим принципом измерений, то с (более общим) методикой выполнения измерений.

Принцип измерений – это, по существу, физическое явление, реализация которого в процессе измерений позволяет сформировать определенный информативный параметр, значения которого связаны со значениями измеряемой величины (при прямых измерениях – это информативный параметр самой измеряемой величины), и зафиксировать его чувствительным элементом применяемого средства измерений. Например, измерение температуры с помощью ртутного термометра основано на явлении термического расширения столбика ртути под воздействие измеряемой температуры. Следовательно, явление термического расширения ртути и является в данном случае физическим принципом измерения температуры. Совокупность приемов использования принципов и средств измерений называется методом измерений.

Для прямых измерений, где физический принцип, как правило, однозначно определяется принципом действия измерительного прибора, совокупность методических приемов (описание метода) носит метрологический характер. Такие общие метрологические приемы, называемые методами прямых измерений (например, метод непосредственной оценки, нулевой метод, дифференциальные или разностные методы), позволяют в ряде случаев исключить (или компенсировать) наиболее существенные систематические погрешности измерений.

Методы косвенных измерений, как правило, отражают в своем названии физический принцип, на котором они основаны, и содержат (в нормативно описательном плане) большой комплекс технических приемов его использования. Например, метод измерения расхода жидкостей по переменному перепаду давлений характеризуется большим комплексом технических приемов описание их в расходоизмерительной (простое литературе занимает не один десяток страниц) создания в потоке жидкости перепада давлений, пропорционального средней скорости потока, использования рабочей формулы измерений (выбора стандартизованных значений коэффициентов расхода сужающих устройств и различных поправочных множителей), измерений входящих в эту формулу величин (перепада давлений, плотности, относительной площади сужающего устройства и др.). И, несмотря на столь большой набор основополагающих принципов и правил, это еще не методика измерений расхода методом переменного перепада давлений. Последняя, кроме отмеченного, должна включать в себя требования к монтажу, эксплуатации и контролю сужающих устройств конкретных (используемых в МВИ) типов, к условиям выполнения измерений, к оценке погрешности измерений в данных условиях.

Разработка и аттестация МВИ – это, по существу, единственный путь гарантированного обеспечения требуемой точности массовых технических измерений, выполняемых при производстве, испытаниях и контроле качества продукции. Это обусловливается ниже описанными причинами.

Основной особенностью современного развития техники измерений является все большее внедрение в измерительную практику косвенных методов измерений, основанных на вновь открытых физических явлениях и закономерностях явления, фазовые перехода, (атомно-молекулярные ультразвук, лазеры и др.) и позволяющих обеспечить высокую разрешающую способность и точность, большие диапазоны измерений там, где прямые методы не позволяют этого сделать.

При этом определяющим точность выполняемых измерений фактором становятся методические погрешности, обусловленные неполнотой рабочих уравнений, описывающих зависимости косвенно измеряемых величин от количественных характеристик физических явлений и процессов (положенных в основу методов измерений), непостоянством теоретических или эмпирических коэффициентов этих уравнений при изменении свойств измеряемых объектов, режимов и условий измерений, что усугубляется постоянным ужесточением режимов и условий измерений (высокие и низкие температуры, электрические и магнитные поля, вибрация и др.) в производстве и невозможностью их воспроизведения при градуировке и поверке используемых средств измерений.

Кроме того, при использовании для косвенных измерений сложных многоблочных систем и комплексов все большее влияние на формирование общей погрешности измерений оказывают характеристик вспомогательных устройств (линий связи, систем подготовки измерений и др.).

В таких условиях вклад погрешностей собственно измерительных устройств в суммарную погрешность измерений становится меньше. Например, для такого распространенного вида измерений, как измерение массы движущихся объектов, погрешность применяемых средств измерений составляет лишь 5 – 6 % от суммарной погрешности результата взвешивания.

Остальную часть составляют методические погрешности, погрешности, вносимые работой вспомогательных устройств, обусловленные динамикой процесса измерений. Причем, данные методические погрешности (как и любые методические погрешности) не могут быть выявлены и оценены в процессе выполнения измерений, обработки из результатов.

Разработка МВИ включает в себя следующие основные этапы:

выбор (или разработка, если таковые отсутствуют) метода и 1) средств измерений;

разработка измерительной схемы, устанавливающей 2) функциональные взаимосвязи между объектом измерений, средствами измерений и вспомогательными техническими устройствами, необходимыми для осуществления процесса измерений, обеспечения условий и режимов измерений;

разработка процедуры измерений – комплекса требований к 3) содержанию, последовательности и условиям выполнения операций, необходимых для получения конечного результата, являющегося целью решения измерительной задачи (данные требования должны охватывать все аспекты измерительного процесса, в том числе, его безопасность и связь с операторами, выполняющими измерения);

разработка проектов нормативных документов, регламентирующих 4) МВИ.

МВИ могут быть оформлены в виде следующих нормативно-технических документов:

стандарт (ГОСТ, СТО) типовой МВИ;

аттестат МВИ;

разделов стандартов ТУ, технологических процессов, методов испытаний и контроля продукции.

Разработка МВИ проводится на основе анализа технической документации на методы и средства измерений, анализа предполагаемых условий измерений, предварительного выявления возможных источников и причин инструментальных (обусловленных свойствами средств измерений, их стабильностью, чувствительностью к внешним воздействиям, влиянием на объект измерений и т.п.) и методических погрешностей, оценки «их вкладов» в суммарную погрешность измерений. Иногда, при расчетных методах аттестации МВИ процесс разработки включает и процесс ее расчетной аттестации.

Метрологическая аттестация МВИ – это исследования, направленные на оценку максимально возможных погрешностей измерений, которые могут и будут выполняться по данной МВИ (методом, средствами и по правилам, регламентированным нормативным документом на МВИ).

Цель аттестации – установление соответствия оцененных при аттестации МВИ значений погрешностей заданным на них нормам. Иногда в измерительной практике может иметь место и такая «задача максимум»

метрологической аттестации МВИ, как определение таких режимов, условий и процедуры выполнения измерений, при которых погрешности измерений минимальны.

В зависимости от сложности решаемых измерительных задач, сложности используемых методов измерений находят применение три различных способа аттестации МВИ расчетный, расчетно-экспериментальный и – экспериментальный.

Расчетный способ аттестации МВИ применим для простейших (как правило, прямых) измерений, характеристики погрешности которых практически целиком определяются нормированными в технической документации на применяемые средства измерений (ТУ, паспорт, инструкция по эксплуатации) значениями его метрологических характеристик. В данном случае погрешность измерений целиком определяется инструментальной составляющей составляющие отсутствуют или (методические пренебрежительно малы) и нормированных в технической документации на применяемое средство измерений метрологических характеристик достаточно для достоверных оценок этой (инструментальной) составляющей.

Типичными составляющими инструментальной погрешности измерений являются: основная, дополнительные и динамическая погрешности средства измерений, а также погрешность, обусловленная его взаимодействием с объектом измерений. Следовательно, расчетная аттестация МВИ сводится к определению (по четырем составляющим) максимально возможного для заданных условий измерений интервала, в котором с заданной вероятностью лежат практически реализующиеся значения погрешности измерений.

Методология расчетной аттестации МВИ в достаточной мере сложна и провести ее могут хорошо подготовленные, квалифицированные специалисты метрологи, владеющие современным метрологическим аппаратом, аппаратом теории вероятностей и математической статистики.

В тех случаях, когда нормированных в технической документации на средства измерений метрологических характеристик недостаточно для достоверных оценок реальной точности измерений, выполняемых по аттестуемой МВИ (например, велик уровень методических погрешностей или в технической документации не хватает данных для оценки каких-либо составляющих инструментальной погрешности), а экспериментальную проверку точности измерений осуществить технически невозможно (или нецелесообразно), используют расчетно-экспериментальный способ аттестации МВИ.

В основе этого способа лежит поэлементный анализ возможных причин, источников и факторов, обусловливающих погрешности измерений. При этом основная трудность заключается не столько в оценке составляющих погрешностей, сколько в физически и метрологически обоснованном выявлении всех факторов, значимо влияющих на погрешность измерений.

Полнота выявления этих факторов определяет достоверность результатов аттестации МВИ.

Для нахождения суммарных оценок характеристик погрешности измерений, выполняемых по аттестуемой таким способом МВИ, т.е. для статистического суммирования частных погрешностей (оцененных экспериментально или расчетом) необходимо в процессе аттестации группировать их по статистическим свойствам на систематические и случайные. Как показывает практика, это сложная задача. Поэтому можно рекомендовать проводить деление погрешностей на систематические и случайные по такому формальному признаку, как возможность их частичной компенсации усреднением результатов многократных измерений, выполняемых за достаточно малый (допускаемый по условиям измерений) промежуток времени. Если такая компенсация возможна, то погрешность относится к случайной, если нет – к систематической.

Суть экспериментального способа аттестации МВИ заключается в прямом непосредственном сравнении результатов измерений, выполняемых (одновременно и в тех же условиях) при помощи более точных (образцовых) методов и средств. Там, где такие методы и средства имеются, где целесообразно и технически возможно их применить, там наилучшим является экспериментальный способ аттестации МВИ.


По результатам аттестации оформляется научно-технический отчет и аттестат МВИ, в котором указываются:

назначение и область применения МВИ;

типы и номера экземпляров средств измерений и технические характеристики вспомогательных устройств;

описание метода измерений;

алгоритм операций подготовки и выполнения измерений;

числовые значения характеристик погрешности измерений;

межповерочные интервалы и НТД, по которым следует проводить поверку средств измерений (или контроль точности измерений);

требования к квалификации операторов.

Существенное отличие между расчетным, расчетно-экспериментальным и экспериментальным способами аттестации МВИ заключается в следующем – расчетная аттестация проводится на основе анализа НТД, расчетно экспериментальная и экспериментальная – проводятся на конкретных реализациях измерительной схемы (реально воплощенной в соответствии с требованиями МВИ, на конкретных экземплярах используемых приборов) в реальных производственных (или имитирующих их) условиях.

Вопросы разработки и аттестации МВИ имеют чрезвычайно важное значение для метрологической практики. Именно здесь, в процессе этих работ осуществляется практическая связь метрологии с решением конкретных научно-технических, производственных и социальных задач.

1.4 Обеспечение процессов измерений, испытаний и контроля соответствующими техническими средствами Средство измерений – техническое средство (или их комплекс), предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимается неизменным в течение известного интервала времени.

По существу средство измерений в простейшем случае производит две операции:

- обнаружение физической величины;

- сравнение неизвестного размера с известным или сравнение откликов на воздействие известного и неизвестного размеров.

Средства измерений, которых на сегодня в Российской Федерации эксплуатируется более млрд, являются основой метрологического 1, обеспечения измерений.

Действие средств измерений основано на использовании различных физических эффектов, например, пьезо-, тензо-, термо – и фотоэлектрических эффектов и др.

Измерять с приемлемой точностью можно при условии, что средство измерений обеспечивает хранение (или воспроизведение) единицы измеряемой величины практически неизменной как во времени, так и под воздействием факторов окружающей среды. Причем эту неизменность размера единицы во времени и подверженность ее изменениям под воздействием влияющих факторов необходимо контролировать.

Средства измерений имеют некоторые общие признаки, присущие всем средствам измерений независимо от назначения и области применения.

По роли, выполняемой в системе обеспечения единства измерений, различают следующие средства измерений:

• метрологические, предназначенные для метрологических целей – воспроизведения единицы и (или) ее хранения или передачи размера единицы рабочим средствам измерений;

• рабочие, применяемые для измерений, не связанных с передачей размера единиц.

Метрологические средства измерений весьма немногочисленны. Их разрабатывают, производят и эксплуатируют в специализированных научно исследовательских центрах. Поэтому подавляющее большинство используемых на практике средств измерений принадлежит ко второй группе.

Выбор средств измерений для конкретных измерительных целей определяется многими факторами. Задача выбора может быть как очень простой, так и достаточно сложной, когда требуется проверка соответствия свойств средства измерения предъявляемым требованиям по быстродействию, надежности, степени защищенности от определенных воздействий и т.п. Но главным требованием является, как правило, обеспечение необходимой точности измерений. Для обоснования этого требования необходимо знать цель измерения. Таких целей две. Они имеют следующие принципиальные отличия:

определение действительного размера измеряемой величины в заданных единицах;

определение соответствия измеряемой величины предписанному размеру, для которого заданы допустимые (номинальному) предельные отклонения.

В первом случае измеряемой величине присваивается размер, достоверность которого полностью определяется погрешностью, имевшей место в момент измерения. Допустимая погрешность назначается, исходя из конкретных задач определения размера.

Во втором случае с помощью измерения проверяют, находится ли размер измеряемой величины в заданном интервале (в поле допуска). При этом изменение (исправление) размера в процессе измерения невозможно. Результат измерения используется только для определения пригодности. При этом погрешность измерения влияет на окончательные результаты приемки («годен»

или «брак») только тех изделий, фактические размеры которых находятся близко к границам поля допуска. Увеличение погрешности измерения увеличивают вероятность того, часть изделий будет неправильно принята (ошибка 1-го рода), а часть изделий – неправильно забракована (ошибка 2-го рода).

Рациональный выбор средств измерений предполагает выполнение следующих требований:

заданы значения критериев оптимальности (качества) решения 1) задач, для которых предназначены результаты измерений;

определены такие значения характеристик погрешности измерений, 2) которые обеспечивают заданные значения критериев оптимальности решения измерительной задачи;

осуществлено рациональное распределение суммарной 3) погрешности измерений по составляющим – методической и инструментальной. Причем инструментальная составляющая определяет номенклатуру и нормируемые значения погрешности правильно выбранных средств измерений.

1.5 Поддержание технических средств в метрологически исправном состоянии При использовании средства измерений принципиально важно знать степень соответствия информации о измеряемой величине, содержащейся в выходном сигнале, ее истинному значению и поддерживать СИ в метрологически исправном состоянии.

С этой целью для каждого СИ вводятся и нормируются определенные метрологические характеристики (МХ).

это характеристики свойств Метрологические характеристики – средства измерений, оказывающие влияние на результат измерения и его погрешности.

Характеристик, устанавливаемые нормативно-техническими документами, называются нормируемыми, а определяемые экспериментально – действительными.

Номенклатура МХ, правила выбора комплексов нормируемых МХ для средств измерений и способы их нормирования определяются стандартом ГОСТ 8.009 – 84 «ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений».

Метрологические характеристики средств измерений позволяют:

• определять результаты измерений и рассчитывать оценки характеристик инструментальной составляющей погрешности измерения в реальных условиях применения СИ;

• рассчитывать МХ каналов измерительных систем, состоящих из ряда средств измерений с известными метрологическими характеристиками;

• производить оптимальный выбор СИ, обеспечивающих требуемое качество измерений при известных условиях их применения;

• сравнивать СИ различных типов с учетом условий применения.

При разработке принципов выбора и нормирования средств измерений необходимо придерживаться ряда положений, а именно:

1) основным условием возможности решения всех перечисленных задач является наличие однозначной связи между нормированными МХ и инструментальными погрешностями. Эта связь устанавливается посредством математической модели инструментальной составляющей погрешности, в которой нормируемые МХ должны быть аргументами. При этом важно, чтобы номенклатура МХ и способы их выражения были оптимальны. Опыт эксплуатации различных средств измерений показывает, что целесообразно нормировать комплекс МХ, который, с одной стороны, не должен быть очень большим, а с другой – каждая нормируемая МХ не должна отражать конкретные свойства СИ и при необходимости может быть проконтролирована;

2) нормирование МХ средств измерений должно производиться, исходя из единых теоретических предпосылок. Это связано с тем, что в измерительных процессах могут участвовать СИ, построенные на различных принципах;

3) нормируемые МХ должны быть выражены в такой форме, чтобы с их помощью можно было обосновано решать практически любые измерительные задачи и одновременно достаточно просто проводить контроль СИ на соответствие этим характеристикам;

4) нормируемые МХ должны обеспечивать возможность статистического объединения, суммирования составляющих инструментальной погрешности измерений. В общем случае она может быть определена как сумма (объединение) следующих составляющих погрешности:

• о(t), обусловленной отличием действительной функции преобразования в нормальных условиях от номинальной, приписанной соответствующими документами данному типу СИ. Эта погрешность называется основной;

• cj,, обусловленной реакцией СИ на изменение внешних влияющих величин и неинформативных параметров входного сигнала относительно их номинальных значений. Эта погрешность называется дополнительной;

• dyn, обусловленной реакцией СИ на скорость (частоту) измерения входного сигнала. Эта составляющая, называемая динамической погрешностью, зависит и от динамических свойств средств измерений, и от частотного спектра входного сигнала;

• int, обусловленной взаимодействием СИ с объектом измерений или с другими СИ, включенными последовательно с ним в измерительную систему.

Эта погрешность зависит от характеристик и параметров входной цепи СИ и выходной цепи объекта измерений Таким образом, инструментальную составляющую погрешности СИ можно представить в виде:


= о(t) • cj • dyn • int, (1.10) где • - символ статистического объединения составляющих.

Первые две составляющие представляют собой статическую погрешность СИ, а третья – динамическую. Из них только основная погрешность определяется свойствами СИ. Дополнительная и динамическая погрешности зависят как от свойств самого СИ, так и от некоторых других причин (внешних условий, параметров измерительного сигнала и др.).

Требования к универсальности и простое статистического объединения составляющих инструментальной погрешности обуславливают необходимость их статистической независимости некоррелированности. Однако – предположение о независимости этих составляющих не всегда верно.

Выделение динамической погрешности СИ как суммируемой составляющей допустимо только в частном, но весьма распространенном случае, когда СИ можно считать линейным динамическим звеном и когда погрешность является весьма малой величиной по сравнению с выходным сигналом. Динамическое звено считается линейным, если оно описывается линейными дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами. Для СИ, являющихся существенно нелинейными звеньями, выделение в отдельно суммируемые составляющие статической и динамической погрешностей недопустимо.

5) Нормируемые МХ должны быть инвариантны к условиям применения и режиму работы СИ и отражать только его свойства. Выбор МХ необходимо осуществлять так5, чтобы пользователь имел возможность рассчитывать по ним характеристики СИ в реальных условиях эксплуатации.

6) Нормальные МХ, приводимые в нормативно-технической документации, отражают свойства не отдельно взятого экземпляра документации, а всей совокупности СИ данного типа, т.е. являются номинальными. Под типом понимается совокупность СИ, имеющих одинаковое значение, схему и конструкцию и удовлетворяющих одним и тем же требованиям, регламентированным в технических условиях.

Метрологические характеристики отдельного СИ данного типа могут быть любыми в пределах области значений номинальных МХ. Отсюда следует, что МХ средства измерений данного типа должна описываться как нестационарный случайный процесс. Математически строгий учет данного обстоятельства требует нормирования не только пределов МХ как случайных величин, но и их временной зависимости (т.е. автокорреляционных функций). Это приведет к чрезвычайно сложной системе нормирования и практической невозможности контроля МХ, поскольку при этом он должен был бы осуществляться в строго определенные промежутки времени. Вследствие этого принята упрощенная система нормирования, предусматривающая разумный компромисс между математической строгостью и необходимой практической простотой. В принятой системе низкочастотные изменения случайных составляющих погрешности, период которых соизмерим с длительностью межповерочного интервала, при нормировании МХ не учитываются. Они определяют показатели надежности СИ, обуславливают выбор рациональных межповерочных интервалов и других аналогичных характеристик.

Высокочастотные изменения случай2ных составляющих погрешности, интервалы корреляции которых соизмеримы с длительностью процесса измерения, необходимо учитывать путем нормирования, например, их автокорреляционных функций.

1.5.1 Статические характеристики и параметры средств измерений Основной характеристикой средств измерений в статическом режиме является функция (уравнение) преобразования – зависимость информативного параметра выходного сигнала от информативного параметра его входного сигнала. В общем виде она может быть записана в виде:

Y{b0[X],b1,…,bm,S1,…,SL,1,…,k}=F{X{a0[(t)],a1,a2,…,an},S1,…,SL}, (1.11) где F – некоторый функционал, описывающий ряд определенных математических операций, производимых над входной величиной Х.

При разработке средств измерений стремятся к тому, чтобы обеспечить линейную связь между входной и выходной величинами:

Y{b0[X],b1,…,bm,S1,…,SL,1,…,k}=K(S1,…,SL)X{a0[(t)],a1,a2,…,an}, (1.12) Или в упрощенной форме записи Y(t)=KX(t), где К – коэффициент преобразования.

Функция преобразования, представленная в виде формулы, таблицы или графика, используется в рабочих условиях для определения значений измеряемой с помощью средств измерений величины по известному информативному параметру его входного сигнала. Линейные функции преобразования, проходящие через начало координат, могут задаваться путем определения коэффициента преобразования К.

Различают три вида функций преобразования:

которая указывается в нормативно-технической номинальную F, документации на данный тип средств измерений. Она устанавливается для стандартизированных средств измерений массового производства;

индивидуальную Fи, которая принимается для конкретного экземпляра средств измерений и устанавливается путем экспериментальных исследований (индивидуальной градуировки) этого экземпляра при определенных значениях влияющих величин;

действительную Fд, которая совершенным образом (без погрешностей) отражает зависимость информативного параметра выходного сигнала конкретного экземпляра средств измерений от информативного параметра его входного сигнала в тех условиях и в тот момент времени, когда эта зависимость определяется.

Перечень нормируемых МХ делится на шесть основных групп (рис. 1.2).

МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ МХ для МХ МХ Динамические МХ Неинформати определен погрешносте чувствительно характеристики влияния на вные ия й средств сти средств средств погрешнос параметры результато измерений к выходного измерений измерений ть в влияющим сигнала измерений факторам 1. Функция 1. Функция 1. Полные: 1. Входной преобразования влияния импеданс -переходная 2. Значение меры 2. Изменение -импульсная переходная 2. Выходной 3. Цена деления МХ при импеданс -амплитудно-фазовая 4. Кодовые изменении 3. Другие -амплитудно-частотная влияющих -амплитудно- и фазочастотные характеристики величин 2. Частные:

-время реакции -постоянная времени 1. Систематическая составляющая -максимальная частота 2. Случайная составляющая -другие 3. Вариация выходного сигнала СИ 4. Погрешности СИ 5. Функция распределения погрешностей Рис. 1.2 Номенклатура метрологических характеристик средств измерений Важной характеристикой средств измерений является его чувствительность S — свойство, определяемое отношением изменения Y выходного сигнала Y к вызывающему его изменению Х входного сигнала X.

Различают абсолютную S = Y/Х и относительную S = Y/(Х/Х) чувствительности.

Наименьшее значение изменения физической величины, начиная с которого может осуществляться ее измерение, называется порогом чувствительности данного средства измерений.

Тип средств измерений — это совокупность средств измерений, основанных на одном и том же принципе действия, имеющих одинаковую конструкцию и изготовленных по одной технической документации.

Полная суммарная погрешность средств измерений, для которых нормируется номинальная функция преобразования, вых=F(Хд)-Fд(Х)=F(Хд)-Yд.

Она называется погрешностью по выходу средств измерений, поскольку приведена к его выходу. Кроме этого используется погрешность по входу вх=F-1(Yд)-Хд, где действительное значение Хд (рисунок 1.3) — информативного параметра измеряемой (входной) величины;

F (Yд) — функция, обратная номинальной функции преобразования средств измерений, называемая его градуированной характеристикой.

Рис. 1.3 Номинальная и действительная функции преобразования.

Некоторые средства измерений обладают вариацией показаний, под которой понимается разность показаний прибора в одной и той же точке диапазона измерений при плавном подходе к ней со стороны меньших и больших значений измеряемой величины.

Воздействие влияющих величин на метрологические характеристики СИ описывается функцией влияния () — зависимостью изменения характеристик и параметров от изменения влияющей величины или совокупности влияющих величин 2.

Существует ряд характеристик и параметров средств измерений, которые описывают некоторые их свойства безотносительно к режиму работы. К таким относятся импедансные характеристики — характеристики, описывающие свойства средств измерений отбирать или отдавать энергию через свои входные или выходные цепи.

Помимо статических характеристик у приборов существуют динамические характеристики.

1.5.2 Динамические характеристики средств измерений В статических режимах выходной сигнал СИ в точности соответствует входному условии отсутствия статических погрешностей) и, (при следовательно, коэффициент преобразования равен номинальному К коэффициенту К0 во всем диапазоне изменения входной величины X(t).

Уравнение преобразования имеет вид:

Y(t) = К0 X(t), (1.13) и соответствует идеальному без инерционному линейному преобразованию.

Реальные СИ обладают инерционными свойствами, (динамическими) обусловленными особенностями используемых элементов. Это приводит к более сложной зависимости между входным и выходным сигналами. Свойства СИ в динамических режимах, т.е. когда время изменения измеряемой величины сравнимо со временем измерения, описываются совокупностью так называемых динамических характеристик.

Основной их них является полная динамическая характеристика, полностью описывающая принятую математическую модель динамических свойств СИ. В качестве нее используют: дифференциальные уравнения;

переходную, импульсную переходную, амплитудно-фазовую и амплитудно частотную характеристики;

совокупность амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик;

передаточную функцию.

Дифференциальные уравнения наиболее полно описывают динамические свойства СИ. Общий вид уравнения с нулевыми начальными условиями:

d mY (t ) d m 1Y (t ) d n X (t ) d n1 X (t ) + + Y (t ) = K n + + K 0 X (t ), + bm 1 + K n 1 (1.14) bm dt m 1 dt n dt m dn n где bi, Ki — постоянные коэффициенты.

В подавляющем большинстве случаев оно может быть приведено к уравнению:

d mY (t ) d m 1Y (t ) + + Y (t ) = K 0 X (t ).

+ bm 1 (1.15) bm dt m dt m Его решение Y(t) описывает выходной сигнал средства измерений при входном сигнале X(t). Данное уравнение отличается от (1.14) присутствием членов, содержащих произведения коэффициентов b и высших производных от Y(t), которые и описывают динамические свойства СИ. При их равенстве нулю уравнение (1.16) переходит в (1.15).

Порядок уравнения (1.16) бывает довольно высоким, по крайней мере, выше второго. Его решение даже при известном виде функции Y(t) весьма затруднено. Кроме того, неизвестно аналитическое выражение для Y(t) и определение производных невозможно. Дифференциальные уравнения высокого порядка могут быть представлены системой дифференциальных уравнений первого и второго порядков. Это, по существу, означает представление сложного в динамическом смысле СИ совокупностью более простых, хорошо изученных динамических элементов (нулевого, первого и второго порядков).

Элемент нулевого порядка описывается уравнением (1.15), динамический элемент первого порядка — уравнением:

dY (t ) + Y (t ) = K 0 X (t ), (1.16) T dt где Т - постоянная времени. Вместо нее применяют и величину г=1/Т, называемую граничной частотой.

Динамический элемент второго порядка описывается уравнением:

1 d 2Y (t ) 2 dY (t ) + Y (t ) = K 0 X (t ), + (1.17) 0 dt 02 dt где 0— частота собственных колебаний;

— коэффициент ддемпфирования, или степень успокоения.

Переходная характеристика h(t) — это временная характеристика СИ, полученная в результате подачи на его вход сигнала в виде единичной функции заданной амплитуды X(t) = Xm • l(t). Она описывает инерционность СИ, обуславливающую запаздывание и искажение выходного сигнала относительно входного. Переходную характеристику находят либо опытным путем, либо решая соответствующее дифференциальное уравнение при X(t) = Xm• l(t).

это временная Импульсная переходная характеристика g(t) характеристика СИ, полученная в результате приложения к его входу сигнала в виде дельта - функции.

Переходная и импульсная характеристики связаны между собой:

t h(t ) = g (t )dt. (1.18) Как и дифференциальное уравнение, эти характеристики в полной мере определяют динамические свойства СИ. Выходной сигнал при известном входном X(t) определяют с помощью интеграла Дюамеля:

t t Y (t ) = X ( )g (t )d или Y (t ) = X ( )h(t )d.

d (1.19) dt Переходная и импульсная характеристики элементов первого порядка:

, g (t ) = X m K 0 e t T.

h(t ) = X m K 0 1 e t (1.20) T T Их графики приведены на рисунке 1.4. Там же показан графический способ определения постоянных времени T путем проведения касательных к точке начала процесса. Часто для оценки длительности переходного периода определяют время установления ty (см. рисунок 1.4).

Для динамического элемента второго порядка вид характеристик h(t) и g(t) зависит от коэффициента демпфирования (рисунки 1.5 и 1.6). Имеют место три режима (считается, что Xm=1):

• колебательный при ( ), e 0t h(t ) = K 0 1 sin 1 2 0 t + arccos (1.21) K 0 0 e 0t g (t ) = sin 1 2 0 t, (1.22) 1 Рис. 1.4 Переходная и импульсная переходная характеристики динамических элементов первого разряда критический при = • [ ] h(t ) = K 0 1 (1 + 0 t )e 0t, g (t ) = K 0 0 te 0t, (1.23) апериодический при • ( ), g (t ) = K e 1 sh( t ) 0t e 0t h(t ) = K 0 1 sh 0 t 2 1 + arch 2 1.

0 (1.24) 1 2 Критический режим является граничным между колебательным и апериодическим. Он характерен тем, что переходный процесс наиболее быстро стремится к установившемуся значению.

Y ( j ) = Ym e j (t + ( )) = Ym ( )e jt. (1.25) K частотным характеристикам относятся амплитудно-фазовая G(j), амплитудно-частотная A() и фазочастотная () характеристики. Частотные методы анализа основаны на исследовании прохождения гармонических колебаний различных час тот через СИ. Если на вход линейного СИ подать входной сигнал X(j)=Xm()ejt, то выходной сигнал можно записать в виде:

Амплитудно-фазовой характеристикой называют отношение :

Y ( j ) Ym ( ) Ym ( ) j ( ) G ( j ) = = =. (1.26) e X ( j ) X m ( ) X m ( ) Она описывает изменение показаний СИ при изменении частоты входного сигнала и характеризует только установившийся режим его работы.

Рис. 1.5 Импульсная переходная характеристика динамического элемента второго порядка при различных значениях коэффициента демпфирования B практике измерений получила большое распространение амплитудно частотная характеристика (АЧХ):

A( ) = G ( j ) = y m ( ) / X m ( ), (1.27) представляющая собой зависящее от круговой частоты отношение амплитуды выходного сигнала линейного СИ в установившемся режиме к амплитуде входного синусоидального сигнала.

O 0,4 0,8 1,2 1,6 2 2,4 2,8 3, Рис. 1.6 Амплитудно-частотная (а) и фазочастотная (б) характеристики динамического элемента первого порядка.

Фазочастотная характеристика (ФЧХ) () — это зависящая от частоты разность фаз между выходным сигналом и входным синусоидальным сигналом линейного СИ в установившемся режиме.

Идеальный безынерционный элемент, описываемый уравнением (1.28), имеет следующие частотные характеристики: G(j) = K0, () = K0, () = 0.

Для элемента первого порядка (рис. 1.6), задаваемого уравнением:

Динамический элемент второго порядка имеет следующие частотные характеристики:

K G ( j ) =, (1.28) 1 / + j 2 / 2 K A( ) =, (1.29) (1 ) / + 4 / 2 2 2 0 2 / 0 ( ) = arctg. (1.30) 1 / 2 Для него вид частотных характеристик существенно зависит от коэффициента демпфирования (рисунок 1.7). При = O,6...0,7 в относительно широком диапазоне частот () » K0. Этот режим важен для многих практических применений таких элементов. При 0,6 наблюдаются резонансные явления для частот, близких к 0.

2 O 0,4 0,8 1,2 1, Рис. 1.7 Амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики динамического элемента второго порядка Ясная физическая интерпретация и относительная простота экспериментального определения послужили причиной широкого применения частотных характеристик в метрологии.

Частотные характеристики СИ связаны с другими его динамическими характеристиками следующими соотношениями:

G ( j ) = g (t )e jt dt ;

g (t ) = G( j )e 1 j t d. (1.31) 2 Рассмотрим типичную для электронного вольтметра и аналогового осциллографа АЧХ. Если вольтметр предназначен для измерения и постоянного и переменного напряжения (а осциллограф работает при "открытом" входе), то АЧХ начинается с нулевой частоты и продолжается до некоторой граничной частоты гр, после которой происходит ее существенный спад. У вольтметров переменного тока и осциллографов с "закрытым" входом АЧХ при нулевой частоте равна нулю, а затем с ростом частоты достигает ycтановившегося значения m.

Соответствующий граничной частоте гр уровень kAm(k 1), до которого спад АЧХ считается допустимым, у различных устройств задается по-разному.

Характер изменения зависимости A() при частотах, больших граничной гр, также существенно зависит от технической реализации СИ.

Полоса частот 1 (или 2), в которой АЧХ средства измерений изменяется не более чем на наперед заданную величину, называется его Она является важной частной динамической полосой пропускания.

характеристикой СИ. Часто вместо полосы пропускания указывают начальную н и граничную гр частоты. Так, для электронного аналогового вольтметра переменного тока марки B3-38Б полоса частот простирается от 20 Гц до 5 МГц.

Для широкополосного осциллографа марки Cl-108 полоса пропускания составляет 350 МГц.

Передаточная функция G(p) — это отношение преобразования Лапласа выходного сигнала СИ к преобразованию входного сигнала при нулевых начальных условиях. Уравнение можно записать в виде:

(b ) p m + bm 1 p m 1 + b1 p + 1 Y ( p ) = K 0 X ( p ), (1.32) m где X(p), Y(p) - изображения по Лапласу входного и выходного сигналов СИ.

Их отношение является передаточной функцией:

( ) G ( p ) = Y ( p ) / X ( p ) = K 0 / bm p m + bm 1 p m 1 + L b1 p + 1. (1.33) Идеальный безынерционный элемент имеет передаточную характеристику G(р)=К0;

элемент первого порядка - G(p)=K0/(Tp+l);

элемент второго порядка - G(p) = K0/( р2/2 0+ + 2 /0 +1).

Кроме полных характеристик часто используются частные, представляющие собой функционал или параметр полной динамической характеристики. K ним относятся: время реакции, неравномерность АЧХ, время нарастания переходной характеристики и ряд других.

При рассмотрении данных характеристик необходимо учитывать и характеристики чувствительности средств измерений к влияющим величинам.

1.5.3 Характеристики чувствительности средств измерений к влияющим величинам Влияние, оказываемое внешними факторами, может быть описано, если известны следующие характеристики:

Функция влияния () — это зависимость изменения метрологической характеристики средства измерений от изменения влияющей величины или их совокупности в рабочих условиях применения СИ.

Изменения значений метрологических характеристик средств измерений, вызванные изменениями влияющих величин в установленных пределах, () это разность учета знака) между метрологическими — (без характеристиками, соответствующей некоторому заданному значению влияющей величины в пределах рабочих условий применения средств измерений, и этой же метрологической характеристики, соответствующей нормальному значению влияющей величины.

Неинформативные параметры выходного сигнала являются одним из видов влияющих величин и определяют допустимую область значений тех параметров выходного сигнала, которые не содержат непосредственной информации о значении измеряемой величины. Однако они определяют возможность нормальной работы средств измерений.

Дополнительная погрешность средств измерений вызывается изменениями влияющих величин относительно своих нормальных значений и, следовательно, является их функцией.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.