АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра инженерной кибернетики

МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ

Конспект лекций

(для студентов всех форм обучения специальности 050702 –

Автоматизация и управление)

Алматы 2006

СОСТАВИТЕЛИ: С.Г. Хан. Метрология, стандартизация и сертификация. Конспект лекций (для студентов всех форм обучения специальности 050702 - Автоматизация и управление).- Алматы: АИЭС, 2006.- 44 с.

Настоящий конспект лекций составлен на основании рабочей программы в помощь студентам при изучении теоретического материала по метрологии, стандартизации и сертификации и включает восемь тем. В конце каждой темы приведены ссылки на дополнительную литературу для более глубокого освоения предмета. Электронные варианты лекционного материала размещены на серверах компьютерных классов кафедры «Инженерная кибернетика».

Конспект лекций предназначен для студентов специальности 050702 - Автоматизация и управление.

Ил.14, библиогр. – 17 назв.

Рецензент: канд. техн. наук, доц. Шевяков Ю.В.

Печатается по плану издания Алматинского института энергетики и связи на 2006 г.

Содержание

Введение...........................................................................................................4

1 Лекция 1. Введение. Метрология – научная основа Государ-

ственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ).......................5

2 Лекция 2. Основные виды и методы измерений........................................9

3 Лекция 3. Погрешности измерений............................................................13

4 Лекция 4. Погрешности измерений (продолжение)..................................17

5 Лекция 5. Основные сведения о средствах измерений..............................21

6 Лекция 6. Основные метрологические характеристики

средств измерений............................................................................................25

7 Лекция 7. Основы стандартизации..............................................................29

8 Лекция 8. Основы сертификации.................................................................33

Приложение А.................................................................................................37

Приложение Б...................................................................................................38

Приложение В...................................................................................................39

Приложение Г...................................................................................................40

Приложение Д...................................................................................................41

Список литературы...........................................................................................43

Введение

Одним из основных условий вступления Республики Казахстан во Всемирную торговую организацию (ВТО) является гармонизация национальной системы стандартизации, сертификации и метрологии с международными правилами. Современным специалистам необходимы достаточные знания в этой области для того, чтобы творчески использовать зарубежный опыт, принимать новые прогрессивные решения, позволяющие производить качественную конкурентоспособную продукцию.

Стандартизация, сертификация и метрология неразрывно связаны между собой, поэтому их изучение в одном учебном курсе дает более полное представление о важности каждого из этих направлений деятельности и их совокупности для становления рыночной экономики в стране, развития внешнеэкономической деятельности предприятий на современной цивилизованной основе, обеспечения условий, необходимых для присоединения страны к международным системам сертификации, и вступления в ВТО, что положительно скажется непосредственно на экспортной деятельности предприятий (фирм).

Цель преподавания дисциплины «Метрология, стандартизация и сертификация» состоит в формировании у студентов того минимума знаний в области стандартизации, сертификации и метрологии, позволяющего в дальнейшем молодому специалисту совершенствоваться, самостоятельно принимать технические решения на международном, региональном и национальном уровнях, а также навыков применения методов и практических основ курса при расчете погрешностей средств измерений, суммарных погрешностей измерительных каналов и расчете эффективности стандартов.

Дисциплина «Метрология, стандартизация и сертификация» изучается студентами специальности «Автоматизация и управление» на 2 курсе в пакете дисциплин по выбору. Тем не менее знания материала данной дисциплины для будущих специалистов (бакалавров, инженеров) технического профиля, связанных с разработкой или обслуживанием различного оборудования или средств измерительной техники, на наш взгляд является обязательными. Рабочая программа дисциплины «Метрология, стандартизация и сертификация» включает большой объем теоретического и практического материала. Однако ограниченность аудиторных часов не позволяет в полной мере изложить необходимую информацию, поэтому большая часть материала изучается студентами в рамках самостоятельной работы (СРСП).

Предлагаемый конспект лекций составлен в соответствии с рабочей программой дисциплины и содержит восемь тем. Следует обратить внимание, что предлагаемое издание является лишь кратким конспектом лекций и не может содержать всех необходимых сведений. Основные определения в тексте выделены полужирным шрифтом. Электронный вариант конспекта лекций можно найти на серверах кафедры «Инженерная кибернетика». Для успешного и всестороннего освоения материала следует воспользоваться и другими источниками.

1 Лекция 1

Введение. Метрология – научная основа Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ)

Содержание лекции:

- роль дисциплины «Метрология, стандартизация и сертификация» в подготовке бакалавров по автоматизации и ее связь с другими дисциплинами; обеспечение единства измерений; законодательная, фундаментальная и практическая метрология; Международная система единиц физических величин.

Цель лекции:

- изучить основные цели и задачи обеспечения единства измерений, определения и понятия современной метрологии, основные статьи Закона «Об обеспечении единства измерений».

Казахстан вошел в рыночную экономику. Чтобы стать равноправным участником мирового хозяйства и международных экономических отношений, необходимо совершенствование национальной экономики с учетом мировых достижений и тенденций. Что тормозит интеграцию Казахстана в цивилизованное экономическое производство? Это: 1) отставание национальной системы стандартизации и сертификации; 2) обеспечение только единства измерений; 3) пережитки планового хозяйства СССР; 4) трудности отечественных предприятий в условиях современной конкуренции не только на внешних рынках, но и на внутреннем рынке.

В связи с тем, что невозможно механическое перенесение зарубежного опыта в условия отечественного производства, нашим специалистам необходимо знать его и иметь достаточно широкий кругозор, чтобы творчески подходить к выработке и принятию новых прогрессивных решений, позволяющих производить продукцию, услуги, которые можно реализовывать в стране или за рубежом на должном уровне. Для этого чрезвычайно важны знания в области метрологии, стандартизации и сертификации для специалистов не только производственной сферы, но и для специалистов по реализации продукции, менеджеров, маркетологов. Эти знания важны для внедрения достижений науки и техники в производство, чтобы использовать возможности и преимущества стандартизации и сертификации при создании конкурентоспособных изделий.

Необходимость знаний по метрологии, стандартизации и сертификации современным специалистам доказывается введением этой дисциплины в учебный план специальности. Для определения места данной дисциплины среди других дисциплин, изучаемых студентами специальности «Автоматизация и управление», рассмотрим структурную схему автоматизированной системы управления технологическими процессами (АСУ ТП), приведенную в приложении А, с точки зрения изучения отдельных ее блоков различными дисциплинами.

На объект автоматизации (ОА), которым может быть любой участок технологического процесса, подаются сырье, реагенты, а также воздействуют различные внешние воздействия (ВВ), например температура окружающей среды, вибрация, давление и т.п. На выходе ОА получают различные продукты производства. Измерительную информацию об ОА для формирования процесса автоматизации получают с помощью средств измерений – датчиков (Д) и вторичных приборов (ВП). Современные производства характеризуются значительной сложностью и мощностью технологических аппаратов, большим числом различных параметров, которые необходимо снять (измерить). Измерения осуществляются с помощью специальных технических средств, различных по сложности и принципам действия, которые называются измерительными устройствами, установками, системами и относятся к измерительной технике. Изучению данной измерительной техники, их классификации, метрологических характеристик и различных свойств посвящается раздел метрологии. С изучением ЭВМ, программирования для разработки математических моделей (ММ) технологических процессов и объектов, АЦП, ЦАП, автоматических регуляторов (АР), исполнительных механизмов (ИМ) студенты встретятся в других дисциплинах, таких, как информатика, математическое моделирование, элементы и средства автоматики, микропроцессоры и микропроцессорные системы, автоматизация технологических процессов и другие.

Метрология – научная основа ГСИ. Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и требуемой точности. «Метро» - мера (греч.), «логос» - учение (греч.).

Современная метрология включает в себя три вида:

а) законодательная метрология;

б) фундаментальная (научная) метрология;

в) практическая (прикладная) метрология.

Законодательная метрология – это раздел метрологии, включающий комплексы взаимосвязанных и взаимообусловленных общих правил, а также другие вопросы, нуждающиеся в регламентации и контроле со стороны государства, направленные на обеспечение единства измерений и единообразия средств измерений.

Законодательная метрология служит средством государственного регулирования метрологической деятельности посредством законов и законодательных положений, которые вводятся в практику через Государственную метрологическую службу (ГМС) и метрологические службы государственных органов управления и юридических лиц.

К области законодательной метрологии относятся испытания и утверждение типа средств измерений (СИ), государственный метрологический контроль и надзор за СИ, а также мероприятия по реальному обеспечению единства измерений. Одна из основных задач метрологии – это обеспечение единства измерений. Эта задача может быть решена при соблюдении двух основополагающих условий:

- выражение результатов измерений в единых узаконенных единицах;

- установление допустимых погрешностей результатов измерений и пределов, за которые они не должны выходить при заданной вероятности.

Единство измерений – состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах, а погрешности известны с заданной вероятностью и не выходят за установленные пределы.

Единство измерений необходимо для того, чтобы можно было сопоставлять результаты измерений, выполненных различными измерительными устройствами в разных местах и в разное время. Причем сохранение единства измерений является важным как внутри страны, так и во взаимоотношениях между странами.

В 1993 году был принят Закон «Об обеспечении единства измерений».

До 1993 года правовые нормы в области метрологии устанавливались постановлениями правительства. Закон «Об обеспечении единства измерений» установил немало нововведений – от терминологии до лицензирования метрологической деятельности.

Основные статьи Закона устанавливают:

а) организационную структуру государственного управления обеспечением единства измерений;

б) нормативные документы по обеспечению единства измерений;

в) единицы величин и государственные эталоны единиц величин;

г) средства и методики измерений.

Фундаментальная и практическая метрологии появились еще в древние времена. В Древней Руси основой системы мер были древнеегипетские единицы измерений, заимствованные в Древней Греции и Риме. Наименования единиц и их размеры соответствовали возможности осуществления измерений «подручными» способами, не прибегая к специальным устройствам. Так, на Руси единицами длины были в разное время:

- локоть (от сгиба локтя до конца среднего пальца руки);

- пядь (расстояние между концами большого и указательного пальца взрослого человека);

- аршин (его появление повлекло исчезновение пяди – ¼ аршина);

- сажень ( русская мера = 3 локтя = 152 см);

- косая сажень = 248 см.

Указом Петра 1 русские меры длины были согласованы с английскими:

- дюйм («палец» = 2,54 см);

- английский фут = 12 дюймов = 30,48 см.

Первая метрическая система мер была введена во Франции в 1840 году. Ее значимость подчеркивал Д.И. Менделеев как средство содействия «будущему желанному сближению народов».

С развитием науки и техники требовались новые измерения и новые единицы измерения, что стимулировало развитие фундаментальной и прикладной метрологии. Первоначально прототип единиц измерения искали в природе, исследуя макрообъекты и их движение. Так, секунда – часть периода обращения Земли вокруг своей оси. Постепенно поиски переместились на атомный и внутриатомный уровень. Теперь секунда – продолжительность 9192631770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома Цезия-133 при отсутствии возмущения со стороны внешних полей.

Таким образом, метрология, как наука, динамически развивается.

Дальнейшее развитие фундаментальной метрологии подтверждают определения единиц физических величин (ФВ), принятых в Международной системе единиц физических величин (системе СИ), дающих представление о природном, естественном происхождении принятых единиц ФВ. Система единиц физических величин – это совокупность основных и производных единиц физических величин.

Генеральная конференция по мерам и весам (ГКМВ) в 1954 году определила шесть основных единиц ФВ для их использования в международных отношениях: метр, килограмм, секунда, ампер, градус Кельвина, свеча.

В 1960 году ХI ГКМВ утвердила Международную систему единиц физических величин (система СИ), которую приняли все крупнейшие международные организации по метрологии. В СССР эта система СИ была принята в 1993 году. Основные единицы ФВ системы СИ:

а) единица длины – метр – длина пути, которую проходит свет в вакууме за 1/299792458 долю секунды;

б) единица массы – килограмм – масса, равная массе международного прототипа килограмма;

в) единица времени – секунда – (определение, приведенное выше в лекции №1);

г) единица силы электрического тока – ампер – сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, создал бы между этими проводниками силу, равную Н на каждый метр длины;

д) единица термодинамической температуры – градус Кельвина – 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды (допускается применение шкалы Цельсия);

е) единица количества вещества – моль – количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько атомов содержится в нуклиде углерода 12 массой 0,012 кг;

ж) единица силы света – кандела – сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой Гц, энергетическая сила которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/. Стерадиан -- единица измерения телесного (пространственного) угла.

Дополнительную информацию по теме можно получить в [1-6].

2 Лекция 2. Основные виды и методы измерений

Содержание лекции:

- основные сведения об измерениях; основное уравнение измерений; классификация измерений; классификация методов измерений.

Цель лекции:

- изучить определения и понятия измерений, различные виды и методы измерений.

Измерение - процесс получения опытным путем числового соотношения между измеряемой величиной и некоторым ее значением, принятым за единицу сравнения.

Число, выражающее отношение измеряемой величины к единице измерения, называется числовым значением измеряемой величины. Причем оно может быть целым или дробным, но является отвлеченным числом.

Значение величины, принятое за единицу измерения, называется размером этой единицы.

Тогда основное уравнение измерений можно записать в следующем виде

, (2.1)

где измеряемая величина;

числовое значение измеряемой величины;

единица измерения.

Значение зависит от размера выбранной единицы измерения . Например, Х=1 м = 100 см = 10 дм.

Результат всякого измерения является именованным числом.

Измерения обычно осуществляются на объектах измерения. Объект измерения (ОИ) – это физическая величина. Физическая величина (ФВ) - одно из свойств физического объекта (явления, процесса), которое является общим в качественном отношении для многих физических объектов и индивидуальным в количественном отношении для каждого. Примеры физических величин: температура, удельный вес, плотность, длина и другие. Размер физической величины – количественное содержание в данном объекте свойства, соответствующего понятию «физическая величина». Размер единицы физической величины, вообще говоря, может быть любым. Однако измерения должны выполняться в общепринятых единицах (лекция №1, Международная система СИ).

Физическую величину, выбранную для измерения, называют измеряемой величиной. Средство измерения (СИ) – техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические характеристики (рисунок 2.1).

Х – измеряемая величина;

У – сигнал измерительной информации;

О – оператор.

Рисунок 2.1 - Схема процесса измерения

Влияющая физическая величина (ВФВ) – физическая величина, не являющаяся измеряемой данным СИ, но оказывающая влияние на результат измерения этим средством (температура окружающей среды, влажность воздуха, электромагнитное поле, вибрации и т. д.)

Результат измерения – это значение физической величины, найденное путем ее измерения.

Различают: а) истинное значение физической величины – значение физической величины, которое реальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта. В философском аспекте истинное значение всегда неизвестно. Совершенствование измерений позволяет приближаться к истинному значению физической величины;

б) действительное значение физической величины – значение физической величины, найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него, определяется опытным путем с помощью образцового средства измерений.

Чтобы составить представление о выполненном или предполагаемом измерении, необходимо знать его основные характеристики (принцип измерения, метод измерения и погрешность (иногда точность) измерения).

Принцип измерения – совокупность физических явлений, на которых основано измерение.

Метод измерения – совокупность приемов использования принципов и средств измерений..

Несовершенство изготовления СИ, неточность их градуировки, действие ВФВ, субъективной ошибки человека и ряд других факторов являются причинами, обуславливающими неизбежное появление погрешности измерения.

Погрешность измерения – отклонение результата измерения от действительного (истинного) значения измеряемой величины

. (2.2)

Точность измерений характеризует степень приближения погрешности измерений к нулю, то есть приближения полученного при измерении значения к истинному значению измеряемой величины.

Количественно точность может быть выражена

. (2.3)

При определении погрешностей и точности вместо истинного значения физической величины реально может быть использовано ее действительное значение.

Классификация измерений приведена в приложении Б (рисунок Б1). По пятому классификационному признаку – по способу получения результата измерения – различают следующие виды измерений.

Прямые измерения - измерения, при которых искомое значение величины находится непосредственно их опытных данных

У = Х, где У – искомое значение, Х – непосредственно полученное из опытных данных. Это измерения при помощи приборов, градуированных в установленных единицах.

Пример: измерение тока амперметром, температура – термометром.

Косвенные измерения – измерения, при которых искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям

У = f (х₁, х₂, .. , х_m),

х_m – определяют в ходе прямых измерений.

Пример - Плотность - по массе и объему тела, сопротивление - по напряжению и току и т. д.

Совокупные (совместные) измерения – измерения, при которых искомые значения разноименных величин определяются путем решения системы уравнений, связывающих значения искомых величин с непосредственно измеренными величинами, т. е. путем решения системы уравнений

F₁ (Y₁, Y₂, . . ,X₁¹, X₂¹, . . , X_m¹) = 0;

F₂ (Y₁, Y₂, . . ,X₁², X₂², . . , X_m²) = 0;

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

F_m (Y₁, Y₂, . . ,X₁^m, X₂^m, . . , X_m^m) = 0.

Y₁, Y₂, Y₃ – искомые величины,

Х₁, Х₂, Х₃ – непосредственно измерения.

В зависимости от назначения и от предъявляемой к ним точности измерения подразделяются на лабораторные (точные) и технические.

Лабораторные (точные) измерения - это такие измерения, которые, как правило, выполняются многократно повторяемыми и с помощью средств измерений повышенной точности.

Технические измерения – это измерения, выполняемые однократно с помощью рабочих (технических) средств измерений, градуированных в соответствующих единицах.

При выполнении теплотехнических измерений широко применяются методы измерений, классификация которых представлена в приложении Б (рисунок Б2).

Мера – СИ, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера. Классификационным признаком является наличие или отсутствие при измерении меры.

Метод непосредственной оценки (МНО) – отсутствие меры – метод измерений, в котором значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия.

Пример - Взвешивание груза на пружинных весах, t⁰ – термометром.

Для повышения точности измерений, в частности линейных, применяют метод отсчета по шкале и нониусу (вспомогательной шкале). Этот метод характеризуется использованием совпадения отметок шкал (основной и вспомогательной).

Метод сравнения с мерой (МСМ) – метод измерения, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.

В зависимости от наличия или отсутствия при сравнении разности между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, различают нулевой и дифференциальный.

Нулевой метод – это МСМ, в котором результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля. Пример - Взвешивание груза на равноплечих весах, когда масса груза определяется массой гирь, уравновешивающих груз.

Дифференциальный метод – это МСМ, в котором на измерительный прибор воздействует разность между измеряемой величиной и известной, воспроизводимой мерой. Измеряется разность. Пример - Взвешивание груза на равноплечих стрелочных весах при неполном противопоставлении воздействия груза и гири на пружину весов, что отмечается стрелкой прибора на шкале:

а) метод противопоставления – МСМ, в котором измеренная величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения, с помощью которого устраняется соотношение между этими величинами;

б) метод замещения - МСМ, в котором измеренную величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой;

в) метод совпадений – МСМ, в котором разность между измеренной величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов.

Дифференциальный метод возможен только при наличии высокоточной меры, близкой по значению к измеряемой величине.

Дополнительную информацию по теме можно получить в [1-6,8,9].

3 Лекция 3. Погрешности измерений

Содержание лекции:

- классификация погрешностей измерений; случайные и систематические погрешности; законы распределения случайной величины.

Цель лекции:

- изучить основные определения различных видов погрешностей измерений, основные характеристики законов распределения случайной величины, оценки основных характеристик ряда наблюдений.

В зависимости от причин возникновения, характера изменений и условий проявления различают погрешности измерений, классификация которых представлена в приложении В на рисунке В1.

В зависимости от характера их проявления различают погрешности случайные и систематические.

Случайные погрешности – погрешности, изменяющиеся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины.

Значение и знак случайной погрешности определить невозможно. Для учета случайной погрешности проводят многократные (статистические) измерения. Оценивая случайную погрешность, говорят об ожидаемой погрешности. Грубая погрешность – это случайная погрешность, существенно превышающая ожидаемую погрешность при данных условиях. Промах – погрешность, которая явно искажает результат измерения. За промах принимают случайную субъективную погрешность экспериментатора. Грубые погрешности и промахи обычно исключаются из экспериментальных данных до начала статистической обработки результатов наблюдений.

Систематическая погрешность – погрешность измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же величины.

Если систематическая погрешность известна, т.е. имеет определенное значение и знак, то она может быть исключена путем внесения поправки по окончании измерения. Если известна причина (источник) систематической погрешности, то ее необходимо устранить до начала измерения.

По причине возникновения систематические погрешности подразделяются на: погрешность метода измерений, инструментальную погрешность, погрешность установки, субъективную погрешность и методическую погрешность.

Погрешность метода измерений (теоретическая погрешность) – это погрешность несовершенства метода измерений. В основном это несовершенство принципа измерения, недостаточная изученность явления, положенного в основу измерения. Инструментальная погрешность (погрешность инструмента) – это погрешность, зависящая от погрешностей применяемых средств измерений (несовершенство конструкции, технологии изготовления средства измерения, постепенный их износ и старение материалов). Погрешность установки – погрешность, обусловленная неправильной установкой средства измерения. Методическая погрешность – погрешность, обусловленная методикой измерения величины и не зависит от точности применяемых средств измерений. Субъективная погрешность – погрешность, обусловленная индивидуальными особенностями наблюдателя.

По характеру проявления систематические погрешности подразделяются на постоянные и переменные.

Постоянные систематические погрешности не изменяют своего значения при повторных измерениях. Пример - Неправильная градуировка средства измерения, неправильная установка начала отсчета и т.п.

Переменные систематические погрешности при повторных измерениях принимают различные значения в соответствии с известными закономерностями. Если погрешность возрастает или убывает при повторных измерениях, то это прогрессивная систематическая погрешность. Периодическая систематическая погрешность может меняться по периодическому или сложному закону. Причины появления периодической систематической погрешности – действие внешних факторов и особенности конструкций средств измерения.

Результат измерения всегда содержит систематическую () и случайную () погрешности

. (3.1)

Поэтому в общем случае погрешность результата измерения () нужно рассматривать как случайную величину, тогда систематическая погрешность есть МО этой величины, а случайная погрешность – центрированная случайная величина.

3.1 Законы распределения случайной величины

Полным описанием случайной величины является ее закон распределения, а следовательно, и случайная погрешность y, и погрешности D.

Существуют различные законы распределения. В практике измерений наиболее распространенным законом распределения погрешности является нормальный закон (Гаусса).

Формула плотности вероятности нормального закона распределения

= _{, (3.2)}

где s - среднее квадратичное отклонение;

d - случайная погрешность.

График нормального закона распределения случайной величины приведен на рисунке 3.1.

W (d)

s = 0.01

s = 0.02

0 d

Рисунок 3.1 – График нормального закона распределения

Чем меньше s , тем точнее выполнены измерения (чаще встречаются малые случайные погрешности).

Сравнительно часто встречается равномерный закон распределения случайной величины, график которого представлен на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 – График равномерного закона распределения

Формула плотности вероятности равномерного закона распределения

(3.3)

В пределах некоторых границ значения измеряемой величины могут быть различными, но равновероятными.

Другие законы распределения приведены в ГОСТ 8.011 – 72 «Показатели точности измерений и формы представления результатов измерений».

3.1.1 Основные характеристики законов распределения

Математическое ожидание ряда наблюдений (МО) – величина, относительно которой рассеиваются результаты отдельных наблюдений.

Если систематические погрешности отсутствуют и разброс результатов отдельных измерений обусловлен только случайными погрешностями, то математическое ожидание такого ряда наблюдений будет истинное значение измеряемой величины.

Если , то математическое ожидание такого ряда наблюдений будет смещено от истинного значения измеряемой величины на значение систематической погрешности.

Дисперсия ряда наблюдений (Д) характеризует степень рассеивания (разброса) результатов отдельных наблюдений вокруг математического ожидания. Чем меньше дисперсия, тем меньше разброс отдельных результатов, тем точнее выполнены измерения. Таким образом, дисперсия может служить характеристикой точности проведенных измерений.

Среднее квадратическое отклонение ряда наблюдений . Поскольку единицей измерения дисперсии является квадрат измеряемой величины, то для оценки точности используется величина, равная корню квадратному из дисперсии и называемая среднее квадратическое отклонение.

3.1.2 Оценки основных характеристик ряда наблюдений

Из теории вероятности известно, что оценкой математического ожидания является среднее арифметическое результатов отдельных наблюдений -

, (3.4)

где - i-й результат наблюдения;

- число результатов наблюдений.

Оценка дисперсии ряда наблюдений рассчитывается по формуле

. (3.5)

Среднее квадратическое отклонение ряда наблюдений является основной характеристикой размера случайных погрешностей результатов наблюдений. Формула для расчета оценки среднего квадратического отклонения s

= + , (3.6)

при n à (практически при n > 30), S² à Д, S à s.

Дополнительную информацию по теме можно получить в [1-7,10].

4 Лекция 4. Погрешности измерений (продолжение)

Содержание лекции:

- оценка и учет погрешностей при точных и технических измерениях, аксиомы случайности и распределения; вероятностные оценки погрешности результата измерений на основании ряда наблюдений, методы повышения точности измерений и средств измерений.

Цель лекции:

- изучить вероятностные оценки погрешности результата измерений на основании ряда наблюдений: доверительные границы, доверительный интервал и доверительная вероятность; методы уменьшения случайных и систематических погрешностей измерений, методы повышения точности СИ.

4.1 Оценка и учет погрешностей при точных измерениях

Точные измерения должны проводиться так, чтобы не было систематических погрешностей. Теория случайных погрешностей базируется на двух аксиомах, основывающихся на опытных данных.

Аксиома случайности: при очень большом числе измерений случайные погрешности, равные по величине, но разные по знаку, встречаются одинаково часто: число отрицательных погрешностей равно числу положительных.

Аксиома распределения: малые погрешности случаются чаще, чем большие; очень большие погрешности не встречаются.

Полным описанием случайной величины, а следовательно и случайной погрешности, является закон распределения. Существуют различные законы распределения случайной величины. В практике измерений наиболее распространенными законами распределения случайных погрешностей являются нормальный и равномерный законы распределения.

4.1.1 Вероятностные оценки погрешности результата измерений на основании ряда наблюдений

Цель обработки результатов наблюдений – это установление действительного значения измеряемой величины, которое может быть принято вместо истинного значения измеряемой величины, и степени близости действительного значения к истинному.

Действительное значение неизбежно содержит случайную погрешность. Поэтому степень близости действительного значения к истинному значению нужно оценивать с позиции теории вероятности. Такой оценкой является доверительный интервал. Доверительный интервал случайной погрешности– это интервал, в который с заданной доверительной вероятностью попадают значения случайной погрешности. Доверительный интервал может быть установлен, если известны закон распределения случайной погрешности и характеристики этого закона (лекция 3).

Согласно ГОСТ 8.011 – 72, доверительный интервал – одна из основных форм выражения точности измерений. ГОСТ устанавливает следующую форму представления результата измерения

, (4.1)

где – результат измерения (среднее арифметическое значение);

D, Dн, Dк – абсолютная погрешность измерения с нижней и верхней границами;

Р – доверительная вероятность, с которой погрешность находится в этих границах.

В теории вероятностей доказано, что для нормального закона распределения случайной погрешности, величина есть случайная величина , распределенная по нормальному закону с МО = 0 и Д = 1; а величина есть случайная величина , распределенная по закону Стьюдента. Для и существуют таблицы, по которым можно найти их значения, определяющие с доверительной вероятностью Р границы доверительного интервала Dн, Dк для и соответственно.

При , S à s, т.е. с увеличением числа наблюдений закон распределения Стьюдента приближается к нормальному. (Практически уже при n > 30 становится равным ).

В практике измерений применяют различные значения доверительной вероятности Р = 0,90; 0,95; 0,98; 0,99; 0,9973 и 0,999.

При нормальном законе распределения случайной погрешности часто пользуются доверительным интервалом от +3s до -3 s с доверительной вероятностью 0,9973. Данная доверительная вероятность означает, что в среднем из 370 случайных погрешностей только одна будет превышать значение = 3 s. Так как на практике число отдельных измерений редко больше нескольких десятков, то применяется «закон трех сигм»: все возможные случайные погрешности измерения, распределенные по нормальному закону, практически не превышают по абсолютному значению 3 s.

Конечная цель анализа выполненных измерений состоит в определении погрешности результата наблюдения ряда значений измеряемой величины , погрешности их среднего арифметического значения, принимаемого за окончательный результат измерения, относительной частоты погрешностей и вероятности.

4.1.1.1 Оценка погрешности (точности) результата наблюдения

Оценкой точности результата наблюдения служит среднее квадратическое отклонение результата наблюдения - (лекция 3). Для получения полного представления о точности и надежности оценки случайного отклонения результата наблюдения должны быть указаны доверительные границы, доверительный интервал и доверительная вероятность. При известном доверительные границы указываются следующим образом: нижняя граница (-), верхняя граница (+) (сокращенно ), за пределы которых с вероятностью Р=0,683 (или 68,3%) не выйдут значения случайных отклонений (). Доверительный интервал выражается в виде . В зависимости от целей измерения могут задаваться и другие доверительные границы , а доверительный интервал погрешности результата наблюдений

, (4.1)

где - среднее квадратическое отклонение результата наблюдения (3.6);

- квантильный множитель, значение которого зависит от выбранного закона распределения случайной погрешности.

Так для равномерного закона распределения и не зависит от доверительной вероятности. Для нормального закона распределения зависит от значения доверительной вероятности (Р) и количества выборочных значений (n): значения = при n > 30 ; = при n < 30 (закон Стьюдента). Значения для наиболее употребительных доверительных вероятностей Р и различных n приведены в [8, Табл.П1-4-1].

4.1.1.2 Оценка погрешности (точности) результата измерения

Результат измерения принимается равным среднему арифметическому значению . Согласно теории погрешностей, оценка среднего квадратического отклонения результата измерения в раз меньше оценки среднего квадратического отклонения результата наблюдений

. (4.2)

Доверительный интервал погрешности результата измерений

, (4.3)

где - имеет тот же смысл, что в формуле (4.1);

- среднее квадратическое отклонение результата измерения.

4.2 Оценка и учет погрешностей при технических измерениях

Технические измерения – измерения практически постоянных величин, выполняемых однократно с помощью рабочих средств измерений (лекция 2). Случайные погрешности в большинстве случаев не являются определяющими точность измерения, поэтому отпадает необходимость многократных измерений. За результат однократного измерения принимают показания средства измерения. Результирующая погрешность однократного измерения при применении измерительного показывающего прибора прямого действия может быть оценена приближенной максимальной (или предельной) погрешностью, определяемой по формуле

, (4.4)

где - пределы допускаемой основной погрешности применяемого измерительного прибора при его эксплуатации в нормальной области значений влияющих величин (НУ), %; - методическая погрешность, % ; - пределы допускаемых дополнительных погрешностей измерительного прибора, %, определяемые отклонением влияющих величин за пределы, установленные для их нормальных значений или для нормальной области значений, согласно формуле

, (4.5)

где - значение предела допускаемой дополнительной погрешности измерительного прибора, вызванное отклонением i-ой влияющей величины, %.

Чтобы точность технических измерений определялась только значением , необходимо исключить и . Для этого нужно обеспечить правильную и тщательную установку СИ, создать условия работы, близкие к НУ.

4.3 Методы повышения точности измерений и средств измерений

4.3.1 Методы уменьшения случайной погрешности измерений:

а) метод многократных измерений; увеличивая число измерений , теоретически можно сделать оценку , согласно (4.2), которая определяет собой случайную погрешность, сколь угодно малой;

б) метод многоканальных измерений (использование параллельных измерений одной и той же физической величины); для этого необходимо использовать сразу несколько СИ и результаты наблюдений обрабатывать совместно.

4.3.2 Методы уменьшения систематической погрешности измерений:

а) устранение источников систематической погрешности до начала измерений;

б) методы исключения систематических погрешностей путем введения поправок по окончании измерений;

в) использование более точных СИ.

4.3.3 Методы повышения точности СИ: используются рассмотренные выше методы увеличения точности измерений: а) метод многократных измерений; б) метод многоканальных измерений;

в) метод параметрической стабилизации (конструкторско-технологический метод), который состоит в стабилизации статической характеристики СИ; параметрическая стабилизация реализуется путем изготовления СИ из точных и стабильных элементов, термостабилизации, экранировки СИ от магнитных и электрических полей и т.п.; данный метод уменьшает систематическую и случайную погрешности СИ;

г) структурные методы, которые основаны на том, что в состав СИ включаются дополнительные узлы, элементы и меры, обеспечивающие повышение точности этих СИ за счет информации, полученной с их помощью.

Дополнительную информацию по теме можно получить в [1,6,7,8,12,13,14].

5 Лекция 5. Основные сведения о средствах измерений

Содержание лекции:

- основные виды средств измерений (СИ); эталоны, образцовые и рабочие средства измерений и их классификация, статические характеристики измерительных устройств.

Цель лекции:

- изучить классификацию и определения различных видов средств измерений, статические характеристики СИ: функция преобразования, диапазон измерений, чувствительность, порог чувствительности.

Средства измерений (СИ) – технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические характеристики.

Метрологические характеристики (МХ) – характеристики свойств СИ, оказывающие влияние на результаты и погрешности измерений.

Классификация средств измерений представлена в приложении Г на рисунке Г1.

Мера – СИ, предназначенное для воспроизведения физических величин заданного размера. Примеры - Гиря – мера массы; резистор – мера сопротивления; линейка- мера длины.

Измерительные устройства (ИУ) применяются самостоятельно или в составе измерительных установок или систем. В зависимости от формы представления информации измерительные устройства подразделяются на измерительные приборы (ИП) и измерительные преобразователи (ИПр).

Измерительный прибор – СИ, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Измерительные приборы различают: 1) аналоговые и цифровые приборы; 2) показывающие и самопишущие приборы; 3) приборы прямого действия и приборы сравнения.

Измерительные преобразователи - СИ, предназначенные для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем. Измерительные преобразователи бывают: первичные и вторичные; промежуточные и передающие .

Измерительные установки и системы – совокупность СИ, объединенных по функциональному признаку со вспомогательными устройствами, для измерения одной или нескольких ФВ объекта измерения.

Унифицированные СИ – СИ, входящие в ГСП (Государственную систему промышленных приборов и средств автоматизации). Эта система строится по блочно-модульному принципу:

- приборы с пневматическими входными и выходными сигналами 0,2 – 1 (0,02 – 0.1 МПа);

- приборы с электрическими входными и выходными сигналами:

а) постоянного тока 0-5, 0-20, 0-100 мА или 0-10 В;

б) переменного тока частотой 50 или 400 Гц; 1-0-1 В, 0-2 В, 1-3 В; 0-10 МГц, 10-0-10 МГц;

- приборы с электрическим частотным входным и выходным сигналами 1500 -2500 Гц и 4000 – 8000 Гц.

Эти приборы имеют унифицированные входные и выходные сигналы, что обеспечивает взаимозаменяемость средств измерений, способствует сокращению разновидности вторичных измерительных устройств, повышает надежность действия устройств автоматизации, дает широкие перспективы применения ЭВМ.

В зависимости от назначения СИ делятся на три категории:

а) рабочие меры, измерительные приборы, измерительные преобразователи;

б) образцовые рабочие меры, измерительные приборы, измерительные преобразователи;

в) эталоны.

Рабочие СИ – СИ, предназначенные для повседневных практических измерений во всех отраслях народного хозяйства. Различают рабочие СИ: 1) повышенной точности (лабораторные) СИ; 2) технические СИ.

Образцовые СИ – СИ, предназначенные для поверки и градуировки рабочих средств измерений. Верхний предел измерений образцовых СИ должен быть больше или равен верхнему пределу измерений поверяемого прибора. Допускаемая погрешность образцовых СИ должна быть значительно меньше (в 4-5 раз) допускаемой погрешности испытуемого прибора.

Рабочие СИ поверяются в контрольных лабораториях системы Госстандарта. Образцовые СИ поверяются в государственных контрольных лабораториях 1-го разряда по еще более точным образцовым мерам, приборам и преобразователям. Образцовые СИ 2-го разряда поверяются методом сравнения с образцовыми СИ 1-го разряда и т.д., образцовые СИ 1-го разряда поверяются в Государственных институтах мер и измерительных приборов по соответствующим рабочим эталонам.

Эталон – высокоточная мера, предназначенная для воспроизведения и хранения единицы величины с целью передачи ее размера другим СИ. От эталона единица ФВ передается разрядным эталонам, от разрядных эталонов – рабочим эталонам.

Различают эталоны:

- первичные;

- вторичные;

- рабочие (разрядные).

Первичный эталон – эталон, воспроизводящий единицу ФВ с наивысшей точностью, возможной в данной области измерений на современном уровне научно-технических достижений. Первичный эталон может быть национальным (государственным) и международным. Национальный эталон утверждается в качестве исходного СИ для страны национальным органом по метрологии .

Международные эталоны хранит и поддерживает Международное бюро мер и весов (МБМВ). Его задача состоит в систематических международных сличениях национальных эталонов разных стран с международными эталонами, а также и между собой. Сличению подлежат как эталоны основных величин системы СИ, так и производных величин. Установлены определенные периоды сличения: эталоны метра и килограмма – каждые 25 лет; электрические и световые эталоны – 1 раз в 3 года.

Вторичные эталоны – «эталоны-копии» сличаются с государственным эталоном и служат для передачи размера рабочим эталонам, а рабочие эталоны – эталонам более низкого разряда.

Самые первые эталоны официально были утверждены во Франции в 1799 году и переданы в Национальный архив Франции на хранение.

5.1 Статические характеристики измерительных устройств

Режим работы ИУ, при котором значения входных Х и выходных У сигналов не меняются, называется статическим (стационарным).

Статической характеристикой ИУ называется функциональная зависимость выходного сигнала от входного в статическом режиме работы указанного устройства (рисунок 5.1). В общем случае это нелинейная зависимость У = f(x).

Для ИУ с неименованной шкалой или шкалой, отградуированной в единицах, отличных от единиц измеряемой величины, статическую характеристику принято называть функцией преобразования. Для измерительных приборов статическую характеристику еще называют характеристикой шкалы. Определение статической характеристики связано с выполнением градуировки, поэтому для всех СИ используют понятие градировочной характеристики, под которой понимают зависимость между значениями величин на выходе и на входе СИ, составленную в виде таблицы, графика или формулы.

За исключением специальных случаев, основное требование, предъявляемое к статической характеристике ИУ, сводится к получению линейной зависимости между выходной и входной величинами. На практике это требование реализуется с некоторой заранее принятой погрешностью.

Диапазон показаний – область шкалы, ограниченная конечным и начальным значениями шкалы.

Диапазон измерений (рабочая часть шкалы) – область значений измеряемой величины (на шкале), для которой нормированы допускаемые погрешности средств измерений:

(Х_в – Х_н; У_в – У_н),

где У_н , Х_н – нижний предел диапазона измерений;

У_в , Х_в –– верхний предел диапазона измерений.

Для количественной оценки влияния на выходной сигнал ИУ входного сигнала в произвольной точке статической характеристики служит предел отношения приращения DУ выходного сигнала к приращению DХ входного сигнала, когда DХ à 0, то есть производная в выбранной точке равна

S = = _._(5.1)

S – чувствительность ИП, определяется как отношение изменения сигнала на выходе ИП в вызвавшему его изменению измеряемой величины.

У

Ув

А 2

Ун

Х

Хн Хв

диапазон измерения

диапазон показаний

Рисунок 5.1 – Статическая характеристика измерительного устройства

Графически чувствительность – это тангенс угла наклона касательной к статической характеристике.

Если статическая характеристика - нелинейная, то его чувствительность будет различна в разных точках шкалы (шкала – неравномерная). СИ с линейной шкалой имеют равномерную шкалу и постоянное значение чувствительности.

У измерительных преобразователей статическая характеристика, как правило, линейная: , где - коэффициент преобразования (передачи).

Цена деления – разность между двумя соседними отметками шкалы.

Порог чувствительности - это наименьшее изменение значения измеряемой величины х, способное вызвать уверенно фиксируемое изменение показания у измерительного прибора или выходного сигнала преобразователя.

Все рассмотренные выше характеристики СИ принято называть метрологическими, так как они влияют на точность осуществляемых с помощью этих устройств измерений.

СИ допускаются к применению только в том случае, если установлены нормы на их метрологические характеристики – нормированные метрологические характеристики (НМХ). Сведения о НМХ приводятся в технической документации на СИ.

Дополнительную информацию по теме можно получить в [5,8,9].

6 Лекция 6. Основные метрологические характеристики средств измерений

Содержание лекции:

- класс точности, классификация погрешностей измерительных приборов и измерительных преобразователей.

Цель лекции:

- изучить основные метрологические характеристики СИ: класс точности и погрешности СИ, их расчет и представление.

Метрологические характеристики (МХ) – характеристики свойств СИ, оказывающие влияние на результаты и погрешности измерений.

6.1 Класс точности и допускаемые погрешности

Класс точности – обобщенная метрологическая характеристика (МХ), определяемая пределами основной и дополнительных допускаемых погрешностей, а также другими свойствами средств измерений, влияющими на точность. Класс точности - величина безразмерная.

Пределы допускаемых основной и дополнительных погрешностей устанавливаются в стандартах на отдельные виды средств измерений (СИ).

Средствам измерений присваивают классы точности, выбираемые из ряда (ГОСТ 136-68) (1; 1.5; 2.0; 2.5; 3.0; 4.0; 5.0; 6.0) ; n = 1; 0; -1; -2;…

Конкретные классы точности устанавливаются в стандартах на отдельные виды СИ. Чем меньше число, обозначающее класс точности, тем меньше пределы допускаемой основной погрешности.

Классы точности, нормируемые по приведенным погрешностям, имеют связь с конкретным значением предела погрешности, т.е. класс точности численно равен значению приведенной погрешности, выраженному в процентах.

СИ с двумя или более диапазонами (или шкалами) могут иметь два или более класса точности.

6.2 Погрешности измерительных устройств

Классификация погрешностей СИ представлена на рисунке Д1 (Приложение Д):

а) от характера проявления: систематические и случайные составляющие погрешности ИУ имеют тот же смысл, что и систематические и случайные погрешности измерений (лекция 3);

б) от условий применения:

1) основная погрешность СИ - погрешность СИ, используемого в нормальных условиях (Н.У.). Под Н.У. применения СИ понимаются условия, при которых влияющие величины (температура окружающего воздуха, барометрическое давление, влажность, напряжение питания, частота тока и т.д.) имеют нормальные значения или находятся в пределах нормальной области значений, а также определенное пространственное их положение, отсутствие вибрации, внешнего электромагнитного поля, кроме земного магнитного поля. Н.У. обычно не являются рабочими условиями применения СИ;

2) под пределом допускаемой дополнительной погрешности понимается наибольшая дополнительная погрешность, вызываемая изменением влияющей величины в пределах расширенной области значений (РОЗ), при которой средство измерений может быть признано годным и допущено к применению. В стандартах или технических условиях для каждого вида СИ устанавливают расширенную область значений влияющих величин, в пределах которой значение дополнительной погрешности не должно превышать установленных пределов. Терминам основная и дополнительная погрешности соответствуют фактические погрешности СИ, имеющие место при данных условиях;

в) от режима применения:

1) статическая погрешность – погрешность СИ, возникающая при использовании его для измерения постоянной величины;

2) динамическая погрешность – погрешность СИ, возникшая при использовании его для измерения переменной во времени величины;

г) от формы представления.

Для измерительного прибора и измерительного преобразователя определение абсолютной, относительной и приведенной погрешностей специфично. У измерительного прибора имеется шкала, отградуированная в единицах входной величины, либо шкала, отградуированная в условных единицах с известным множителем, поэтому результат измерения представляется в единицах входной величины. Это обуславливает простоту определения погрешности измерительного прибора. У измерительного преобразователя результаты измерений представляются в единицах выходной величины. Поэтому различают погрешности измерительного преобразователя по входу и по выходу.

Абсолютная погрешность измерительного прибора – разность между показаниями прибора и действительным значением измеряемой величиной

, (6.1)

определяется с помощью образцового прибора или воспроизводится мерой.

Относительная погрешность измерительного прибора – отношение абсолютной погрешности измерительного прибора к действительному значению измеряемой величины

(6.2)

Приведенная погрешность измерительного прибора - отношение абсолютной погрешности измерительного прибора к нормирующему значению измеряемой величины

. (6.3)

В качестве нормирующего значения используется верхний предел измерения или диапазон измерений измерительного прибора.

При определении погрешностей измерительного преобразователя (ИПр) известны следующие величины: - действительное значение величины на входе Ипр, которое воспроизводится мерой или определяется с помощью образцового СИ на входе. - значение величины на выходе Ипр, определяется с помощью образцового средства на выходе; - функция преобразования измерительного преобразователя; - обратная функция преобразования измерительного преобразователя.

Абсолютная погрешность измерительного преобразователя по выходу – разность между действительным значением величины на выходе измерительного преобразователя, отображающей измеряемую величину, и значением величины на выходе, определяемым по действительному значению величины на входе с помощью градуировочной характеристики, приписанной измерительному преобразователю

, (6.4)

, определяются при одном значении входной величины.

Абсолютная погрешность измерительного преобразователя по входу – разность между значением величины на входе измерительного преобразователя, определяемым по действительному значению величины на его выходе с помощью градуировочной характеристики, приписанной преобразователю, и действительным значением величины на входе преобразователя

=. (6.5)

Относительная погрешность измерительного преобразователя по входу

(6.6)

Относительная погрешность измерительного преобразователя по выходу

(6.7)

Приведенная погрешность измерительного преобразователя по входу

. (6.8)

Приведенная погрешность измерительного преобразователя по выходу

. (6.9)

В качестве нормирующего значения , используется диапазон измерений преобразователя или соответствующий ему диапазон измерений выходного сигнала ();

д) от значения измеряемой величины.

Для рассмотрения этой зависимости удобно использовать понятие номинальной и реальной функции преобразования.

Номинальная функция преобразования указана в паспорте на ИУ. Реальная функция преобразования – функция, которой обладает конкретный экземпляр ИУ данного типа. Отклонения реальной функции преобразования от номинальной различны и зависят от значения измеряемой величины. Эти отклонения и определяет погрешность данного ИУ.

Аддитивная погрешность или погрешность нуля ИУ – погрешность, которая остается постоянной при всех значениях измеряемой величины (Приложение Д, рисунок Д2).

Если аддитивная погрешность является систематической, то она может быть удалена (например, коррекция нуля). Если аддитивная погрешность – случайная величина, то ее исключить нельзя, и реальная функция преобразования смещается по отношению к номинальной произвольно во времени. Для реальной функции можно выделить полосу, ширина которой остается постоянной при всех значениях измеряемой величины.

Источники случайной аддитивной погрешности – трение в опорах, дрейф нуля, шум (фон) СИ.

Мультипликативная погрешность или погрешность чувствительности СИ – погрешность, которая линейно возрастает (или убывает) с увеличением измеряемой величины (Приложение Д, рисунок Д3).

Источники мультипликативной погрешности – изменение коэффициента преобразования отдельных элементов и узлов СИ.

Погрешность линейности – погрешность, появляющаяся тогда, когда отличие реальной функции преобразования от номинальной вызвано нелинейными эффектами (Приложение Д, рисунок Д4).

Источники погрешности линейности – конструкция (схема) СИ, нелинейные искажения функции преобразования, связанные с несовершенством технологии производства схем.

Погрешность гистерезиса – погрешность обратного хода (погрешность запаздывания) (Приложение Д, рисунок Д5). Это наиболее существенная и трудноустранимая погрешность СИ, выражающаяся в несовпадении реальной функции преобразования при увеличении (прямой ход) и уменьшении (обратный ход) измеряемой величины.

Причины гистерезиса – люфт, сухое трение в механических передающих элементах, гистерезисный эффект в ферромагнитных материалах, внутреннее трение в материалах пружин, явление поляризации в элементах, пьезоэлементах, электрохимических элементах.

СИ допускается к применению только в том случае, если установлены нормы на их метрологические характеристики. Сведения о нормированных метрологических характеристиках приводятся в технической документации на средства измерения.

Дополнительную информацию по теме можно получить в [5-9].

7 Лекция 7. Основы стандартизации

Содержание лекции:

- сущность стандартизации, объекты и области стандартизации, нормативные документы, органы и службы стандартизации, национальная и международная стандартизация.

Цель лекции:

- изучить основные определения, цели и задачи стандартизации, виды нормативных документов, концепцию национальной стандартизации, роль и задачи международных организаций: ИСО, МЭК, МГС.

Стандартизация – деятельность, направленная на разработку и установление требований, норм, правил, характеристик как обязательных для выполнения, так и рекомендуемых, обеспечивающая право потребителя на приобретение товаров надлежащего качества за приемлемую цену, а также право на безопасность и комфортность труда.

Цели стандартизации: 1) общие цели; 2) конкретные цели.

Общие цели вытекают из содержания понятия стандартизации. Общие цели связаны с выполнением тех требований стандартов, которые являются обязательными: разработка норм, требований и правил, обеспечивающих:

- безопасность продукции, работ, услуг для жизни и здоровья людей, окружающей среды и имущества;

- совместимость и взаимозаменяемость изделий;

- качество продукции, работ и услуг в соответствии с уровнем развития научно-технического прогресса;

- единство измерений;

- экономию всех видов ресурсов;

- безопасность хозяйственных объектов, связанную с возможностью возникновения различных катастроф и чрезвычайных ситуаций;

- обороноспособность и мобилизационную готовность страны.

Конкретные цели относятся к определенной области деятельности, отрасли производства товаров и услуг, тому или другому виду продукции, предприятию и т.п.

Объект стандартизации (предмет) – продукция, процесс или услуга, для которых разрабатывают те или иные требования, характеристики, параметры, правила и т.п.

Стандартизация касается либо объекта в целом, либо его отдельных составляющих (характеристик).

Область стандартизации – совокупность взаимосвязанных объектов стандартизации. Например, область стандартизации – машиностроение, объект стандартизации – технологические процессы, типы двигателей, безопасность.

Уровни стандартизации зависят от того, участники какого географического, экономического, политического региона мира принимают стандартизацию: административно-территориальную стандартизацию; национальную стандартизацию; региональную стандартизацию; международную стандартизацию.

Нормативные документы по стандартизации и виды стандартов

В процессе стандартизации вырабатываются нормы, правила, требования, характеристики, касающиеся объекта стандартизации, которые оформляются в виде нормативного документа.

Руководство международных организаций по стандартизации ИСО/МЭК рекомендует следующие виды нормативных документов (НД): стандарты, документы технических условий, своды правил, регламенты (технические регламенты), положения.

Стандарт – это нормативный документ, разработанный на основе консенсуса, утвержденный признанным органом, направленный на достижение оптимальной степени упорядочения в определенной области. В стандарте устанавливаются для всеобщего и многократного использования общие принципы, правила, характеристики, касающиеся различных видов деятельности или их результатов. Стандарт должен быть основан на обобщенных результатах научных исследований, технических достижений и практического опыта, тогда его использование принесет оптимальную выгоду для общества. Вначале органом по стандартизации принимается предварительный ( временный) стандарт и доводится до широкого круга потенциальных потребителей, а также до тех, кто может его применить. Отзывы об этом документе служат базой для принятия решения о целесообразности стандарта. Категории стандартов: международные, региональные, национальные, административно-территориальные. Они предназначены для широкого круга потребителей, т.е. являются общедоступными. Виды стандартов: основополагающий стандарт, терминологический стандарт, стандарт на методы испытаний, стандарт на продукцию, стандарт на процесс, стандарт на услугу, стандарт на совместимость.

Документ технических условий (ТУ) устанавливает технические требования к продукции, услуге, процессу. Обычно в документе ТУ должны быть указаны методы или процедуры, которые следует использовать для проверки соблюдения требований данного нормативного документа в таких ситуациях, когда это необходимо.

Свод правил, как и ТУ, может быть самостоятельным стандартом или самостоятельным документом, а также частью стандарта. Свод правил обычно составляется для процесса проектирования, монтажа оборудования и конструкций, технического обслуживания или эксплуатации объектов, конструкций, изделий.

Все вышеуказанные нормативные документы носят рекомендательный характер.

Регламент – это документ, в котором содержатся обязательные правовые нормы. Принимает регламент орган власти, а не орган по стандартизации, как в случае других НД. Технический регламент (ТР)– разновидность регламентов – содержит технические требования к объекту стандартизации. Они могут быть представлены непосредственно в самом этом документе либо путем ссылки на другой НД. В отдельных случаях в ТР полностью включается НД. Технические регламенты обычно дополняются методическими документами, указаниями по методам контроля или проверок соответствия продукта, товара, услуги требованиям регламента.

Нормативные документы по стандартизации в Республике Казахстан установлены Законом «О техническом регулировании» (2004 год):

а) международные стандарты;

б) региональные стандарты и классификаторы технико-экономической информации, правила и рекомендации по стандартизации;

в) государственные стандарты и классификаторы технико-экономической информации Республики Казахстан;

г) стандарты организаций;

д) рекомендации по стандартизации Республики Казахстан;

е) национальные стандарты, стандарты организаций, классификаторы технико-экономической информации, правила, нормы и рекомендации по стандартизации иностранных государств.

Согласно Руководству 2 ИСО/МЭК, деятельность по стандартизации осуществляют соответствующие органы и организации. Под органом, занимающимся стандартизацией, подразумевается орган, деятельность которого в области стандартизации общепризнана на национальном, региональном или международном уровнях. Основные функции такого органа – разработка и утверждение нормативных документов, доступных широкому кругу потребителей. Однако он может выполнять немало других функций, что особенно характерно для национального органа по стандартизации.

Национальным органом по стандартизации в Казахстане является уполномоченный орган. Уполномоченный орган - государственный орган, уполномоченный в соответствии с законодательством Республики Казахстан управлять, осуществлять контроль и надзор за работами в области технического регулирования и представлять Республику Казахстан в международных и региональных организациях по вопросам стандартизации, подтверждения соответствия и аккредитации. Уполномоченный орган в сфере стандартизации выполняет следующие функции:

а) устанавливает порядок разработки, согласования, учета, утверждения, экспертизы, изменения, отмены и введения в действие государственных стандартов и классификаторов технико-экономической информации;

б) организует анализ и разработку стандартов, гармонизированных с нормативными правовыми актами в области технического регулирования;

в) устанавливает порядок учета и применения международных, региональных и национальных стандартов, классификаторов технико-экономической информации, правил и рекомендаций иностранных государств по стандартизации, подтверждению соответствия и аккредитации на территории Республики Казахстан;

г) организует издание и распространение официальных изданий государственных, международных, региональных стандартов, стандартов иностранных государств, правил и рекомендаций по стандартизации, подтверждению соответствия и аккредитации, публикует информацию о них;

д) устанавливает порядок разработки планов и программ государственной стандартизации;

е) организует подтверждение переводов нормативных документов по стандартизации на государственный и русский языки.

Постоянными рабочими органами по стандартизации являются технические комитеты (ТК), но это не исключает разработку нормативных документов предприятиями, общественными заведениями, другими субъектами хозяйственной деятельности.

Членство в ВТО обязывает государство в полном объеме выполнять все достигнутые договоренности, но для вступления в ВТО требуется полная гармонизация методов регулирования внешнеэкономической деятельности с правилами Генерального соглашения по тарифам и торговле (ГАТТ). В области стандартизации - это приведение нормативных документов, действующих в ГСС, в соответствие с требованиями Соглашения по техническим барьерам в торговле.

Международная организация по стандартизации (ИСО) создана в 1946 году 25-ью национальными организациями по стандартизации. Официальные языки ИСО – английский, французский, русский.

Сфера деятельности ИСО касается стандартизации во всех областях, кроме электротехники и электроники, относящихся к компетенции Международной электротехнической комиссии (МЭК). Кроме стандартизации, ИСО занимается и проблемами сертификации.

На сегодняшний день в ИСО входят 120 стран своими национальными организациями по стандартизации. Крупнейшие партнеры ИСО – МЭК и СЕН (Европейский комитет по стандартизации). МЭК создана в 1906 году на конференции 13 стран. Дата начала сотрудничества этих стран – 1881 год. С 1946 года МЭК –автономная организация в составе ИСО. СЕН существует с 1961 года. Ее члены – 18 стран Европы. АСЕАН – международная ассоциация по стандартизации стран Юго-Восточной Азии. МГС – Межгосударственный совет стран СНГ, образован в 1995 году. Совет ИСО признал МГС региональной организацией по стандартизации в странах СНГ.

Международные стандарты ИСО не имеют статуса обязательных для всех стран – участниц. Стандарты ИСО в случае их применения вводятся в национальную систему стандартизации.

Дополнительную информацию по теме можно получить в [1-4,11,16].

8 Лекция 8. Основы сертификации

Содержание лекции:

- сущность и содержание сертификации, основные термины и понятия, обязательная и добровольная сертификации, формы участия в системах сертификации и соглашения по признанию.

Цель лекции:

- изучить основные определения, цели и задачи сертификации, основные положения Закона «О техническом регулировании»; принципы, правила и порядок проведения сертификации продукции.

Сертификация в переводе с латыни означает «Сделано верно». Для того, чтобы убедиться в том, что продукт «сделан верно», надо знать, каким требованиям он должен соответствовать и каким образом возможно получить достоверные доказательства этого соответствия.

ИСО/МЭК предлагает термин «соответствие», указывая, что это процедура, в результате которой может быть подано заявление, дающее уверенность в том, что продукция (процесс, услуга) соответствует заданным требованиям. Это может быть: а) декларация о соответствии, т.е. письменная гарантия изготовителя в том, что продукция соответствует заданным требованиям; б) сертификация - процедура, посредством которой третья сторона дает письменную гарантию того, что продукция, процесс, услуга соответствуют заданным требованиям.

Декларация о соответствии содержит следующие сведения: адрес изготовителя, представляющего декларацию, обозначение изделия и дополнительную информацию о нем; наименование нормативного правового акта в области технического регулирования, на соответствие требованиям которого подтверждается продукция; указание о личной ответственности изготовителя за содержание заявления и др. Представляемая информация должна быть основана на результатах испытаний. Декларация о соответствии принимается на срок, установленный изготовителем (исполнителем) продукции, исходя из планируемого срока выпуска данной продукции, но не более чем на один год.

Подтверждение соответствия через сертификацию предполагает обязательное участие третьей стороны. Такое подтверждение соответствия – независимое, дающее гарантию соответствия заданным требованиям, осуществляемое по правилам определенной процедуры. Сертификация считается основным достоверным способом доказательства соответствия продукции (процесса, услуга) заданным требованиям.

Доказательство соответствия проводится по той или иной системе сертификации – это система, которая осуществляет сертификацию по своим собственным правилам, касающимся как процедуры, так и управления. Систему сертификации составляют: центральный орган, который управляет системой, проводит надзор за ее деятельностью и может передавать право на проведение сертификации другим органам; правила и порядок проведения сертификации; нормативные документы, на соответствие которым осуществляется сертификация; процедуры (схемы) сертификации; порядок инспекционного контроля. Системы сертификации могут действовать на национальном, региональном и международном уровнях.

Сертификация может носить обязательный и добровольный характер.

Обязательная сертификация осуществляется на основании законов и законодательных положений и обеспечивает доказательство соответствия товара (процесса, услуг) требованиям технических регламентов, обязательным требованиям стандартов. Поскольку обязательные требования этих нормативных документов относятся к безопасности, охране здоровья людей и окружающей среды, то основным аспектом обязательной сертификации является безопасность и экологичность.

В Казахстане обязательная сертификация введена Законом «О защите прав потребителей». Продукция, подлежащая обязательному подтверждению соответствия, определяется нормативными правовыми актами в области технического регулирования.

Добровольная сертификация проводится по инициативе юридических или физических лиц на договорных условиях между заявителем и органом по сертификации в системах добровольной сертификации. Допускается проведение добровольной сертификации в системах обязательной сертификации органами по обязательной сертификации. Нормативный документ, на основании которого осуществляются испытания при добровольной сертификации, выбирается, как правило, заявителем. Заявителем может быть изготовитель, поставщик, продавец, потребитель продукции. Системы добровольной сертификации чаще всего объединяют изготовителей и потребителей продукции, заинтересованных в развитии торговли на основе долговременных партнерских отношений.

Участие в системах сертификации может быть в трех формах: допуск к системе сертификации; участие в системе сертификации; членство в системе сертификации. Допуск означает возможность для заявителя осуществить сертификацию в соответствии с правилами данной системы. Членство и участие устанавливаются на уровне сертификационного органа. Первая форма участия (допуск) относится к предприятиям - изготовителям, поставщикам продукции, которые сертифицируют свою продукцию в рамках выбранной системы (например, при добровольной сертификации), либо обязаны проводить сертификацию по данной системе, например, на основании положений об обязательной сертификации. Две другие формы касаются деятельности сертификационного органа в национальных, региональных и международных системах сертификации.

Сертификация призвана содействовать развитию международной торговли. Однако система сертификации может оказаться техническим барьером. Устранению технических барьеров в торговле способствуют соглашения о взаимном признании (соглашение по признанию – согласно терминологии Руководства 2 ИСО/МЭК), которые в зависимости от количества стран, признающих результаты деятельности другой (других) стороны, бывают односторонние, двусторонние, многосторонние.

Сертификация в Республике Казахстан организуется и проводится в соответствии с общегосударственными законами РК: Закон «О защите прав потребителей», «О техническом регулировании», а также с законами РК, относящимися к определенным отраслям: «О ветеринарии», «О пожарной безопасности», «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения», -иными правовыми актами Республики Казахстан.

Закон «О защите прав потребителей», принятый в 1991 году (с изменениями от 1992 г.), установил ряд принципиально новых положений: закрепил права потребителей, признанные во всем цивилизованном мире, – право на безопасность товаров, работ, услуг для жизни и здоровья; право на надлежащее качество приобретаемых товаров, выполняемых работ и оказываемых услуг; право на возмещение ущерба и судебную защиту прав и интересов потребителя; предусмотрел механизм защиты потребителя, права которых нарушены при продаже недоброкачественных товаров либо при ненадлежащем выполнении работ и оказании услуг. К числу потребителей закон не относит индивидуальных предпринимателей, приобретающих товар для своей деятельности, связанной с извлечением прибыли.

Закон «О техническом регулировании» принят в 2004 году (с дополнениями по состоянию на 31.01.2006 г.). В Законе установлены цели сертификации, определен национальный орган по сертификации – Уполномоченный орган РК - и направления его деятельности, сущность обязательного и добровольного подтверждения соответствия, права органов по сертификации, источники финансирования различных направлений деятельности по сертификации и т.д.

В системах подтверждения соответствия третьей стороной применяются два способа указания соответствия стандартам: сертификат соответствия и знак соответствия.

Сертификат соответствия - документ, удостоверяющий соответствие продукции, услуг требованиям, установленным нормативными правовыми актами в области технического регулирования, положениям стандартов или иных документов. Сертификат может относиться ко всем требованиям стандарта, а также к отдельным его разделам или конкретным характеристикам продукта, что четко оговаривается в документе.

Знак соответствия - обозначение, служащее для информирования покупателей о прохождении продукцией, услугой процедуры подтверждения соответствия требованиям, установленным нормативными правовыми актами в области технического регулирования, стандартами и иными документами.

Разрешение (лицензия) на использование знака соответствия выдает орган по сертификации.

Стандарты, предназначенные для использования при сертификации, в разделе «Область применения» должны содержать указание об их применении для целей сертификации. В стандарт включаются только те характеристики, которые могут быть объективно проверены. Стандарт должен устанавливать последовательность испытаний, если это влияет на их результаты. Предпочтительны методы неразрушающих испытаний.

Порядок проведения подтверждения соответствия продукции установлен по отношению к обязательной сертификации (в т.ч. и импортируемой продукции), но может применяться и при добровольной сертификации. Общие принципы порядка проведения сертификации продукции соответствуют Руководству 2 ИСО/МЭК. Управление работами по подтверждению соответствия осуществляется в рамках государственной системы технического регулирования. Непосредственную работу по сертификации ведут органы по подтверждению соответствия и испытательные лаборатории. Порядок сертификации:

а) подача заявки на сертификацию продукции в орган по подтверждению соответствия; данный орган в течение месяца рассматривает заявку и сообщает решение: какие органы и испытательные лаборатории может выбрать заявитель для сертификации своей продукции;

б) отбор, идентификация образцов и их испытания, которые проводятся испытательной лабораторией; после испытаний выдаются протоколы испытаний по одному заявителю и в орган по подтверждению соответствия; срок хранения протокола равен сроку действия сертификата;

в) оценка производства; проводится анализ производства, сертификация производства или системы управления качеством; метод оценки производства указывается в сертификате соответствия продукции;

г) выдача сертификата соответствия; по результатам п.2 и п.3 составляется заключение эксперта; это главный документ, на основании которого орган по подтверждению соответствия принимает решение о выдаче сертификата соответствия; им же оформляется сертификат с указанием основания для его выдачи и регистрационного номера, без которого он недействителен.

Средства измерения до получения сертификата соответствия должны пройти государственный метрологический контроль и поверку.

Сертификат соответствия выдается на срок, установленный схемой подтверждения соответствия, но не более трех лет.

Инспекционный контроль за сертифицированной продукцией проводится в течение всего срока действия сертификата и лицензии на применение знака соответствия, но не реже одного раза в год.

Дополнительную информацию по теме можно получить в [1-4, 15-17].

Приложение А