книги / Метрология, стандартизация, сертификация

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию

Пермский государственный технический университет

Ю.Р. Дадиомов

МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ, СЕРТИФИКАЦИЯ

Рекомендовано Редакционно-издательским советом университета

вкачестве конспекта лекций для студентов заочного отделения химических специальностей 210200 (направление 657900); 250400 (направление 655000); 250200

Пермь 2005

УДК 389.001 Д12

Рецензенты:

канд. техн. наук &Г Стафейчук (Пермский государственный технический университет);

д-р техн. наук М.К. Хубеев (Пермский государственный технический университет)

Дадиомов Ю.Р.

Д12 Метрология, стандартизация, сертификация: Конспект лекций / 11ерм. гос. техн. ун-т. - Пермь, 2005. - 129 с.

Рассмотрены основные вопросы курса «Метрология, стандартизация, сертификация».

Предназначено для студентов заочного отделения химико-техиологиче- ского факультета специальностей «Автоматизация технологических процессов и производств», «Химическая технология природных энергоносителей и углерод­ ных материалов». «Химическая технология неорганических веществ»

УДК 389.001

©Пермский государственный технический университет, 2005

3

4

ВВЕДЕНИЕ

Разработка, изготовление и эксплуатация технологических систем, систем автоматизации управления и средств автоматизации неизбежно связаны с выполнением большого числа измерений. При этом получаемая измерительная информация используется как для собственно измерения, так и для выработки соответствующих управляющих сигналов, логических заключений и суждений в таких процедурах, как управление, контроль, диагностирование, идентификация и т.п. Очевидно, что выбор методов и средств измерения в каждом конкретном случае должен обеспечивать по­ лучение требуемых показателей качества конечного результата. Таким об­ разом, перед специалистом встает задача правильного выбора метода и средства измерений, должной организации измерительного эксперимента обработки и представления результатов измерений в соответствии с прин­ ципами метрологии и действующими в этой области нормативными доку­ ментами. Повышение эффективности производства и улучшение качества разработок связано также с широким применением различных форм и ме­ тодов стандартизации.

Отсюда следует необходимость соответствующей подготовки спе­ циалистов в области решения метрологических и измерительных задач в процессе разработок и обслуживания химических технологий и систем управления ими, а также выполнения требований Государственной систе­ мы стандартов в повседневной практической деятельности.

В процессе познавательной деятельности человека возникает множе­ ство задач, для решения которых необходимо располагать количественной информацией о том или ином свойстве объектов материального мира (яв­ ления, процесса, вещества, изделия). Основным способом получения такой информации являются измерения, при правильной организации и выпол­ нении которых получают результат измерения, с большей или меньшей точностью отражающий интересующие свойства объекта познания. Ин­ формация о свойствах и качествах объектов, полученная посредством из­ мерений, называется измерительной информацией.

Студенты инженерных специальностей высших учебных заведений, начиная уже с первого семестра, работают в лабораториях, выполняя лабо­ раторные работы по профилю общетехнических и специальных кафедр. При этом в основе большинства лабораторных работ лежат измерения. Ре­ зультаты любых измерений, как бы тщательно и на каком бы высоком уровне они не выполнялись, неизбежно содержат некоторые погрешности. Абсолютно точных измерений не может быть принципиально. Именно по­ этому успешная работа студентов в лабораториях, наряду с изучением ме­ тодов и средств измерений и приобретением навыков измерений, предпо-

5

лагает также их знакомство с современными методами математической обработки результатов измерений, анализа и оценки погрешностей.

Подготавливаясь к будущей самостоятельной работе по профилю избранной специальности, студенты должны иметь в виду, что сегодня из­ мерения пронизывают все сферы инженерного труда. С измерениями свя­ зана деятельность инженера-исследователя и инженера-технолога; инже­ нер-конструктор обязан иметь ясное представление о возможностях изме­ рительной техники, чтобы обеспечить взаимозаменяемость деталей и уз­ лов, контролепригодность разрабатываемого изделия на всех стадиях его жизненного цикла. Измерительная информация является основой для при­ нятия технических и управленческих решений при испытаниях продукции, оценки ее технического уровня, аттестации и сертификации качества. По­ этому знание современных правил, норм и требований в области измере­ ний также обязательно для специалистов, осуществляющих функции управления и организации производства.

Результат любого измерения заслуживает внимания лишь при усло­ вии, что он сопровождается оценкой погрешности измерения либо допол­ няется сведениями, позволяющими потребителю измерительной информа­ ции оценить точность измерения самостоятельно. С другой стороны, важ­ но не только уметь выполнить измерение и оценить погрешность результа­ та, но и гак спланировать и осуществить процедуру измерения, чтобы обеспечить требуемую точность или свести погрешности к минимуму.

Говоря о точности измерений, следует заметить, что уровень точно­ сти, к которому надо стремиться, должен определяться критериями техни­ ческой и экономической целесообразности. Известно, что повышение точ­ ности измерения вдвое удорожает само измерение в несколько раз. В то же время снижение точности измерения в производстве ниже определенной нормы приводит к браку продукции. При назначении точности измерений важно также учитывать их значимость. В одних случаях недостаточная точность получаемой измерительной информации имеет небольшое или локальное значение, в других играет исключительно важную роль: от точ­ ности измерения может зависеть научное открытие или жизнь и здоровье людей.

С развитием науки, техники и разработкой новых технологий необ­ ходимо измерять все новые и новые физические величины, существенно расширяется диапазон измерений различных значений величин - от сверх­ малых до очень больших значений физических величин. Непрерывно по­ вышаются требования к точности измерений.

В этих условиях, чтобы успешно справиться с многочисленными и разнообразными проблемами измерений, необходимо освоить некоторые общие принципы их решения, нужен единый научный и законодательный фундамент, обеспечивающий на практике высокое качество измерений, не­

6

зависимо от того, где и с какой целью они производятся. Таким фундамен­ том является метрология - наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Необходимо отметить, выполнение вышеприведенных задач может быть осуществлено только на базе знания законодательных основ Государ­ ственной системы стандартизации.

Стандартизация - это деятельность по установлению норм, правил и характеристик в целях обеспечения безопасности продукции, работ и услуг для окружающей среды, жизни, здоровья и имущества; технической и ин­ формационной совместимости, а также взаимозаменяемой продукции; ка­ чества продукции, работ и услуг в соответствии с уровнем развития науки, техники и технологии; единства измерений.

Третья составляющая единого учебного курса - сертификация, целя­ ми которой являются: создание условий для деятельности организаций всех форм собственности на едином товарном рынке России для участия в международном экономическом, научно-техническом сотрудничестве и международной торговле; содействие потребителям в выборе товара и за­ щита их от недобросовестного изготовителя; контроль безопасности про­ дукции для жизни, здоровья и имущества людей и окружающей среды; подтверждение показателей качества продукции, заявленной изготовите­ лем.

Метрология, стандартизация и сертификация неразрывно связаны между собой, поэтому изучение их в одном учебном курсе дает более пол­ ное представление о важности каждого из этих направлений деятельности и их совокупности для становления рыночной экономики в стране и разви­ тия внешнеэкономической деятельности, что является безусловно важным обстоятельством формирования инженерно-технического и научного ми­ ровоззрения специалиста высокой квалификации.

1.МЕТРОЛОГИЯ

1.1.История развития метрологии и становление ее как науки

Наблюдая предметы и явления окружающей природы, человек из­ давна испытывал потребность в их количественной оценке. Со временем это привело к измерениям. Измерение - одна из древнейших операций, применяемых человеком в общественной практике. Измерение бессозна­ тельно имеет место даже в процессе чувственного познания нами внешних предметов (определение размеров предметов путем ощупывания и пр.).

Исторически первыми единицами измерений были единицы, выра­ жающие размеры тела человека (локоть, фут и пр.),или какие-либо предме­

7

ты. В ходе развития прогресса значение измерений непрерывно повышает­ ся в хозяйственно-экономической жизни народов - в торговле, мореплава­ нии, земледелии, строительном деле. Развитие техники измерений и соз­ дание простейших измерительных приборов началось с появлением сол­ нечных, песочных и водяных часов, а также весов. В Древнем Риме, на­ пример, в I веке для учета расхода воды в городском водопроводе приме­ нялись измерительные насадки, явившиеся прототипом современных во­ домеров.

С подъемом ремесла, науки, искусства в Х1У-ХУ1 веках возникает необходимость в развитии техники измерений - совершенствуются старые средства измерений, создаются новые.

XVII век ознаменовался такими изобретениями в области измерений, как барометр, телескоп, микроскоп.

В XVIII веке академиком Г.В. Рихманом, соратником М.В. Ломоно­ сова, был создан первый электроизмерительный прибор - «указатель элек­ трической силы». В этом же столетии созданы динамометр, калориметр и

др.

В середине XIX века вошли в практику приборы для измерения элек­ трических и световых величин.

Таким образом, значение измерений непрерывно возрастает и рас­ ширяется сфера их применения - от той стадии человеческой культуры, когда практически можно было ограничиться измерением длины, площади, скорости, времени, массы, до современной эпохи, когда измерения осуще­ ствляются по отношению к любой физической величине почти независимо от интервала, в котором она измеряется (например, масса электрона и ко­ лоссального космического тела, длительность промежутков - микросекун­ да и год, и т.д).

Примитивные на первых порах измерения в наши дни превратились в мощный рычаг познания и вместе с тем в один из самых объективных средств контроля. Сейчас трудно себе представить вид деятельности чело­ века, в котором не использовались бы результаты измерений.

Без измерений невозможно существование современной науки, про­ мышленности, сельского хозяйства, медицины, торговли. Измерения необ­ ходимы в военном деле, в быту, в спорте и во многих других видах дея­ тельности человека. Они выполняются не только в разных земных услови­ ях, но и в атмосфере, в космосе, на других планетах. Измерения позволяют управлять технологическими процессами, предприятиями, народным хо­ зяйством в целом. Огромное значение имеют измерения в повышении ка­ чества продукции. Много измерительных приборов применяется в быту. Измерительная информация стала неотъемлемой спутницей человека. Можно с уверенностью сказать, что измерения сопровождают нас в тече­ ние всей жизни.

8

Внашей стране ежедневно производятся миллиарды измерений, миллионы человек считают измерения своей профессией. Доля затрат на измерения составляет 10-15 % от затрат общественного труда, а в отраслях промышленности, производящих сложную технику (электроника, станко­ строение и др.), она достигает 50-70 %.

На определенном этапе своего развития измерения привели к воз­ никновению метрологии. Зародившись как описательная наука, метроло­ гия долго находилась, если можно так сказать, в младенческом возрасте. До конца XIX века в трактатах по метрологии под этим термином понима­ лись всякого рода меры по их наименованиям, подразделениям и взаимно­ му отношению.

Большая заслуга в становлении отечественной метрологии принад­ лежит Д.И. Менделееву, видевшему в метрологии мощный рычаг воздей­ ствия на экономику. В 1893-1907 гг. Д.И. Менделеев был Управляющим Главной палаты мер и весов в Петербурге и сделал много для становления отечественной метрологии как науки.

В30-х годах XX столетия метрология в России получила мощное развитие, но еще долгое время объектами метрологической деятельности было только обеспечение единообразия средств измерений.

Метрология имеет дело с измерениями физических величин. Эти из­ мерения занимают особое положение среди различных видов количествен­ ного оценивания. Их отличительная особенность — высокая познаватель­ ная ценность, заключающаяся в установлении однозначного соответствия между измеряемыми физическими величинами и их числовыми выраже­ ниями. Зависимость между физическими величинами можно выразить уравнениями и привлечь таким образом к познанию природы всю мощь математического анализа.

1.2.Предмет метрологии, функции метрологии, единство измерений. Основные понятия и определения

Общепринятое определение метрологии дано в ГОСТ 16263-70 «ГСИ. Метрология. Термины и определения»: метрология - наука об изме­ рениях, методах, средствах обеспечения их единства и способах достиже­ ния требуемой точности. Греческое слово «метрология» образовано от слов «метрон» - мера и «логос» - учение. Метрология делится на три са­ мостоятельных и взаимно дополняющих раздела, основным из которых яв­ ляется «Теоретическая метрология». В нем излагаются общие вопросы теории измерений. Раздел «Прикладная метрология» посвящен изучению вопросов практического применения в различных сферах деятельности ре­ зультатов теоретических исследований. В заключительном разделе «Зако­ нодательная метрология» рассматриваются комплексы взаимосвязанных и

9

взаимообусловленных общих правил, требований и норм, а также другие вопросы, нуждающиеся в регламентации и контроле государства и направ­ ленные на обеспечение единства измерений и единообразия средств изме­ рений (СИ).

Предметом метрологии является извлечение количественной ин­ формации о свойствах объектов и процессов с заданной точностью и дос­ товерностью. Средства метрологии - это совокупность средств измерений и метрологических стандартов, обеспечивающих их рациональное исполь­ зование.

Функции метрологии:

1)разработка научных основ повышенной точности измерений фи­ зических параметров;

2)обеспечение единства измерений;

3)разработка методов государственной и отраслевой метрологиче­ ских поверок;

4)разработка мероприятий по созданию и стандартизации новых ме­ тодов и средств измерений, а также ремонта и поверок работающих средств;

5)разработка новых и новейших теорий и законодательных актов;

6)развитие сетей научно-исследовательских институтов, органов по метрологии.

Задачи метрологии:

1)установление единиц физических величин, государственных эта­ лонов и образцовых средств измерений;

2)разработка теории, методов и средств измерений и контроля;

3)обеспечение единства измерений и единообразных средств изме­

рений;

4)разработка методов оценки погрешностей, состояния средств из­ мерения и контроля, а также передачи размеров единиц от эталонов или образцовых средств измерений рабочим средствам измерений.

Одна из главных задач метрологии - обеспечение единства измере­ ний - может быть решена при соблюдении двух условий, которые можно назвать основополагающими:

-выражение результатов измерений в единых узаконенных едини­

цах;

-установление допустимых ошибок (погрешностей) результатов из­ мерений и пределов, за которые они не должны выходить при заданной ве­ роятности.

Часто, применяя одинаковые по размеру единицы и выполняя самые тщательные измерения в разных местах, не удается добиться их единства. Необходимы еще и единая унифицированная методика измерений, уста-

10