Метрологическое обеспечение производства

Тема 1.1 Введение в метрологию

Сегодня измерения пронизывают все сферы нашей жизни. Мы оцениваем температуру воздуха на улице, следим за временем, решаем насколько выгодно и рационально практически любое наше действие.

Развитие науки и техники неразрывно связано с прогрессом в области измерений. Поэтому многие научные исследования сопровождаются измерениями, позволяющими установить количественные соотношения и закономерности изучаемых явлений. Любое современное производство немыслимо сегодня без точного, объективного контроля технологического процесса, осуществляемого с помощью средств измерений. Требования к точности технологических измерений постоянно растут. В таких условиях, чтобы разобраться с вопросами и проблемами измерений, метрологического обеспечения и обеспечения единства измерений, нужен единый научный и законодательный фундамент, обеспечивающий в практической деятельности высокое качество измерений, независимо от того, где и с какой целью они проводятся. Таким фундаментом является метрология.

Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и о способах достижения требуемой точности.

Измерение является способом количественного познания свойств физических объектов. Существуют различные физические объекты, обладающие разнообразными физическими свойствами, количество которых неограниченно. Такие свойства получили название физических величин.

Физические величины различают в качественном и количественном отношении. Качественная сторона определяет «вид» величины (например, электрическое сопротивление), а количественная – его «размер» (например, сопротивление конкретного резистора).

Физическая величина – свойство, общее в качественном отношении для множества объектов и индивидуальное в количественном отношении для каждого из них.

Измерение – процесс экспериментального получения одного или более значений физической величины, которые могут быть обоснованно приписаны к этой физической величине.

Главные признаки понятия «измерение»:

– измерять можно свойства реально существующих объектов познания, т.е. физические величины;

– измерение требует обязательного проведения опытов, т.е. теоретические рассуждения или расчеты не могут заменить эксперимент;

– для проведения опытов требуются особые технические средства – средства измерений, приводимые во взаимодействие с материальным объектом;

– результатом измерений является значение физической величины.

Значение физической величины – количественная оценка измеряемой величины, которая должна быть не просто числом, а числом именованным, т. е. результат измерения должен быть выражен в определенных единицах, принятых для данной величины. Только в этом случае результаты измерений, полученные различными средствами и разными экспериментами, сопоставимы.

Единица физической величины – это физическая величина, которой по определению присвоено числовое значение, равное единице. Например, давление 1 Па, плотность 1 кг/м3, объемный расход 1 м3/с и т. д. При измерении какой-либо величины устанавливают ее числовое соотношение с некоторой другой однородной величиной, принятой за единицу измерения.

Основной задачей метрологии является обеспечение единства измерений и их точности.

Единство измерений – состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах величин или в значениях по установленным шкалам измерений, а показатели точности измерений не выходят за установленные границы. Единство измерений необходимо для того, чтобы можно было сопоставить результаты измерений, выполненных в разных местах и в разное время, с использованием разных методов и средств измерений. Определение понятия «единство измерений» довольно ёмкое. Оно охватывает важнейшие задачи метрологии: унификацию единиц, разработку систем воспроизведения единиц и передачи их размеров рабочим средствам измерений с установленной точностью, проведение измерений с погрешностью, не превышающей установленные пределы и др.

Точность измерений – характеристика качества измерений, отражающая степень близости результатов измерений к истинному значению измеряемой величины. Точность количественно оценивают обратной величиной модуля относительной погрешности. Например, если погрешность измерений равна ±0,001, то точность будет равна 1/0,001=1000.

В процессе развития метрологии как науки сформировались и развиваются три ее взаимосвязанных раздела: теоретическая, законодательная и практическая метрология.

Теоретическая метрология – раздел метрологии, предметом которого является разработка фундаментальных основ метрологии. Являясь базой измерительной техники, этот раздел метрологии занимается изучением проблем измерений в целом и образующих измерение элементов: средств измерений, физических величин и их единиц, методов и методик измерений, результатов и погрешностей измерений и др.

Законодательная метрология – раздел метрологии, предметом которого является установление обязательных технических и юридических требований по применению единиц величин, эталонов, методов и средств измерений, направленных на обеспечение единства и требуемой точности измерений. Специалисты в области законодательной метрологии разрабатывают и внедряют нормы и правила выполнения измерений, порядок разработки и испытаний средств измерений, устанавливают термины и определения в области метрологии, единицы физических величин и правила их применения.

Практическая (прикладная) метрология – раздел метрологии, предметом которого являются вопросы практического применения разработок теоретической метрологии и положений законодательной метрологии. С помощью методов прикладной метрологии осуществляется метрологическое обеспечение производства.

В Федеральном законе «Об обеспечении единства измерений» применяются следующие основные понятия:

1) аттестация методик (методов) измерений – исследование и подтверждение соответствия методик (методов) измерений установленным метрологическим требованиям к измерениям;

2) ввод в эксплуатацию средства измерений – документально оформленная в установленном порядке готовность средства измерений к использованию по назначению;

3) федеральный государственный метрологический контроль (надзор) – контрольная деятельность в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений, осуществляемая уполномоченными федеральными органами исполнительной власти и заключающаяся в систематической проверке соблюдения установленных законодательством Российской Федерации об обеспечении единства измерений обязательных требований, а также в применении установленных законодательством Российской Федерации мер за нарушения, выявленные во время надзорных действий;

4) государственный первичный эталон единицы величины – государственный эталон единицы величины, обеспечивающий воспроизведение, хранение и передачу единицы величины с наивысшей в Российской Федерации точностью, утверждаемый в этом качестве в установленном порядке и применяемый в качестве исходного на территории Российской Федерации;

5) государственный эталон единицы величины – эталон единицы величины, находящийся в федеральной собственности;

6) испытания стандартных образцов или средств измерений в целях утверждения типа – работы по определению метрологических и технических характеристик однотипных стандартных образцов или средств измерений;

7) калибровка средств измерений – совокупность операций, выполняемых в целях определения действительных значений метрологических характеристик средств измерений;

8) методика (метод) измерений – совокупность конкретно описанных операций, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с установленными показателями точности;

9) метрологическая служба – юридическое лицо, подразделение юридического лица или объединение юридических лиц, либо работник (работники) юридического лица, либо индивидуальный предприниматель, либо подведомственная организация федерального органа исполнительной власти, его подразделение или должностное лицо, выполняющие работы и (или) оказывающие услуги по обеспечению единства измерений и действующие на основании положения о метрологической службе;

10) метрологическая экспертиза – анализ и оценка правильности установления и соблюдения метрологических требований применительно к объекту, подвергаемому экспертизе. Метрологическая экспертиза проводится в обязательном (обязательная метрологическая экспертиза) или добровольном порядке;

11) передача единицы величины – приведение единицы величины, хранимой эталоном единицы величины или средством измерений, к единице величины, воспроизводимой или хранимой эталоном данной единицы величины или стандартным образцом, имеющим более высокие показатели точности;

12) поверка средств измерений – совокупность операций, выполняемых в целях подтверждения соответствия средств измерений метрологическим требованиям;

13) прослеживаемость – свойство эталона единицы величины, средства измерений или результата измерений, заключающееся в документально подтвержденном установлении их связи с государственным первичным эталоном или национальным первичным эталоном иностранного государства соответствующей единицы величины посредством сличения эталонов единиц величин, поверки, калибровки средств измерений;

14) прямое измерение – измерение, при котором искомое значение величины получают непосредственно от средства измерений;

15) сличение эталонов единиц величин – совокупность операций, устанавливающих соотношение между единицами величин, воспроизводимых эталонами единиц величин одного уровня точности и в одинаковых условиях;

16) тип средств измерений – совокупность средств измерений, предназначенных для измерений одних и тех же величин, выраженных в одних и тех же единицах величин, основанных на одном и том же принципе действия, имеющих одинаковую конструкцию и изготовленных по одной и той же технической документации;

17) тип стандартных образцов – совокупность стандартных образцов одного и того же назначения, изготавливаемых из одного и того же вещества (материала) по одной и той же технической документации;

18) шкала величины (шкала измерений) – упорядоченный набор значений величины.

Тема 1.2 Правовое обеспечение метрологии

Правовые основы обеспечения единства измерений в Российской Федерации регламентированы Федеральным законом от 26.06.2008 №102-ФЗ «Об обеспечении единства измерений».

Целями настоящего Федерального закона являются:

1) установление правовых основ обеспечения единства измерений в Российской Федерации;

2) защита прав и законных интересов граждан, общества и государства от отрицательных последствий недостоверных результатов измерений;

3) обеспечение потребности граждан, общества и государства в получении объективных, достоверных и сопоставимых результатов измерений, используемых в целях защиты жизни и здоровья граждан, охраны окружающей среды, животного и растительного мира, обеспечения обороны и безопасности государства, в том числе экономической безопасности;

4) содействие развитию экономики Российской Федерации и научно-техническому прогрессу.

Федеральный закон регулирует отношения, возникающие при выполнении измерений, установлении и соблюдении требований к измерениям, единицам величин, эталонам единиц величин, стандартным образцам, средствам измерений, применении стандартных образцов, средств измерений, методик (методов) измерений, а также при осуществлении деятельности по обеспечению единства измерений, предусмотренной законодательством Российской Федерации об обеспечении единства измерений, в том числе при выполнении работ и оказании услуг по обеспечению единства измерений.

Сфера государственного регулирования обеспечения единства измерений распространяется на измерения, к которым установлены обязательные метрологические требования и которые выполняются при:

1) осуществлении деятельности в области здравоохранения;

2) осуществлении ветеринарной деятельности;

3) осуществлении деятельности в области охраны окружающей среды;

4) осуществлении деятельности в области гражданской обороны, защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, обеспечения пожарной безопасности, безопасности людей на водных объектах;

5) выполнении работ по обеспечению безопасных условий и охраны труда;

6) осуществлении производственного контроля за соблюдением установленных законодательством Российской Федерации требований промышленной безопасности к эксплуатации опасного производственного объекта;

7) осуществлении торговли, выполнении работ по расфасовке товаров;

8) выполнении государственных учетных операций и учете количества энергетических ресурсов;

9) оказании услуг почтовой связи, учете объема оказанных услуг электросвязи операторами связи и обеспечении целостности и устойчивости функционирования сети связи общего пользования;

10) осуществлении деятельности в области обороны и безопасности государства;

11) осуществлении геодезической и картографической деятельности;

12) осуществлении деятельности в области гидрометеорологии, мониторинга состояния и загрязнения окружающей среды;

13) проведении банковских, налоговых, таможенных операций и таможенного контроля;

14) выполнении работ по оценке соответствия продукции и иных объектов обязательным требованиям в соответствии с законодательством Российской Федерации о техническом регулировании;

15) проведении официальных спортивных соревнований, обеспечении подготовки спортсменов высокого класса;

16) выполнении поручений суда, органов прокуратуры, государственных органов исполнительной власти;

17) осуществлении мероприятий государственного контроля (надзора);

18) осуществлении деятельности в области использования атомной энергии;

19) обеспечении безопасности дорожного движения.

Сфера государственного регулирования обеспечения единства измерений распространяется также на единицы величин, эталоны единиц величин, стандартные образцы и средства измерений, к которым установлены обязательные требования.

Формы государственного регулирования в области обеспечения единства измерений:

1) утверждение типа стандартных образцов или типа средств измерений;

2) поверка средств измерений;

3) метрологическая экспертиза;

4) федеральный государственный метрологический контроль (надзор);

5) аттестация методик (методов) измерений;

6) аккредитация юридических лиц и индивидуальных предпринимателей на выполнение работ и (или) оказание услуг в области обеспечения единства измерений.

Нормативные документы устанавливают основные требования в области метрологического обеспечения. Первые метрологические стандарты были утверждены в 1966 г., а в 1979 г. вышли первые руководящие документы (РД 50- …). В 1973 году в метрологии были введены в практику документы рекомендательного характера — рекомендации метрологических институтов (далее – МИ), получившие широкое признание и распространение. Позднее были разработаны нормативные документы в виде правил (ПР 50.2…), которые проходят регистрацию в Минюсте и имеют обязательный характер.

Основными объектами стандартизации (регламентации) по метрологии являются:

– общие правила и нормы по метрологии;

– государственные поверочные схемы;

– нормы точности измерений;

– методики выполнения измерений;

– методики поверки средств измерений.

Основополагающие нормативные документы регламентируют практически все метрологические аспекты и виды метрологической деятельности.

В группу основополагающих стандартов, правил и рекомендаций метрологических институтов входят около 150 документов. Большая часть документов ГСИ регламентирует организацию и порядок выполнения различных видов метрологических работ (поверка средств измерений, разработка и аттестация методик выполнения измерений, метрологическая экспертиза технической документации, испытания средств измерений в целях утверждения типа, государственный метрологический контроль и надзор, лицензирование предприятий по различным направлениям метрологической деятельности, анализ состояния измерений, аккредитация метрологических служб, типовые положения о метрологической службе и другие вопросы). Это так называемые организационные документы.

Другая часть основополагающих документов регламентирует методики проведения ряда метрологических работ (оценивание погрешности измерений, установление межповерочного интервала, оценивание метрологических характеристик средств измерений, выбор средств измерений, расчет экономического эффекта от внедрения средств и методик выполнения измерении, установление значений параметров методик поверки и другие вопросы).

Еще одна часть основополагающих документов устанавливает метрологические термины и их определения, единицы величин, классы точности и нормируемые метрологические характеристики средств измерений, формы представления погрешностей и др.

В группе документов на государственные поверочные схемы около 180 ГОСТ и МИ. Они играют значительную роль в поверочной (калибровочной) деятельности метрологических служб. При организации поверки (калибровки) государственные поверочные схемы используются непосредственно или к ним «привязываются» локальные поверочные схемы.

Документы на нормы точности измерений содержат:

– погрешности, допускаемые при измерении линейных размеров (ГОСТ 8.051, ГОСТ 8.549);

– нормы точности дозирования торговыми автоматами (ГОСТ 10309);

– нормы точности определения массы в резервуарах (ГОСТ 8.378);

– нормы точности взвешивания и дозирования (ГОСТ 13712) и ряд других норм точности измерений.

В группе документов на методики выполнения измерений около 190 ГОСТ, ПР и МИ. Эта группа документов в ближайшее время будет развиваться, т.к. использование таких документов существенно облегчит применение аттестованных методик выполнения измерений, что требует Федеральный закон «Об обеспечении единства измерений» (ст. 9).

Наиболее многочисленная группа документов — НД на методики поверки средств измерений. В ней около 1900 ГОСТ, и МИ. В этих документах регламентированы методы, средства и условия поверки, алгоритмы ее проведения и обработки результатов измерений, способы оформления результатов поверки. Положения документов на методики поверки являются обязательными.

В настоящее время разработаны и применяются около 80 Типовых программ испытаний для целей утверждения типа средств измерений. Эти документы могут потребоваться метрологическим службам при разработке и применении единичных экземпляров средств измерений, используемых в сферах распространения государственного метрологического контроля и надзора.

Процесс совершенствования нормативной базы в области обеспечения единства измерений продолжается.

Положения Федерального закона «Об обеспечении единства измерений» и документов нередко требуют конкретизации, которая реализуется в документах министерств и ведомств (далее – ОСТ) и предприятий (далее – СТП).

Деятельность по метрологическому обеспечению предприятий и организаций подлежит надзору со стороны Госстандарта России. Государственный метрологический надзор за обеспечением единства измерений осуществляют должностные лица Госстандарта России —государственные инспекторы. Государственный метрологический надзор осуществляется: за выпуском, состоянием и применением средств измерений, аттестованными методиками выполнения измерений, эталонами единиц величин, соблюдением метрологических правил и норм; за количеством товаров, отчуждаемых при совершении торговых операций; за количеством фасованных товаров в упаковках любого вида при их расфасовке и продаже.

Ответственность за нарушение метрологических норм и правил установлена Федеральным законом «Об обеспечении единства измерений» (ст. 25). К юридическим и физическим лицам, а также к государственным органам управления, виновным в нарушении метрологических правил и норм, применяются соответствующие положения действующего административного, гражданского или уголовного законодательства. В соответствии с законодательством о труде физические лица могут привлекаться к дисциплинарной ответственности администрацией предприятия.

Тема 2.1 Объекты метрологии

Объектами метрологии являются измерения и величины. Величиной называют свойство измеряемого объекта, которое является общим для всех одноименных объектов в качественном смысле, но специфическим с количественной точки зрения. Величины – это основные объекты метрологии. Какое-то время ученые придерживались позиции, что измерить можно только физические параметры реальности. С развитием науки появилась потребность фиксации нефизических величин, благодаря этому область применения метрологических методик значительно расширилась.

Выделяют два вида величин:

– физические – относятся к категории физических объектов (например, температура, скорость);

– нефизические – не относятся к группе физических объектов. Они измеряются опосредованно, через величины первой группы. Например, экономические параметры можно определить ценой. Она, в свою очередь, рассчитывается через конкретные единицы измерения (метры, килограммы). Быстроту реакции или скорость принятия решения, которые являются психологическими характеристиками личности, можно выразить через единицы времени.

Некоторые ученые склоняются к мнению, что к величинам нефизического характера не целесообразно применять термин «измерение». Они предлагают использовать понятие «оценивание», однако в ФЗ «Об обеспечении единства измерений» используется исключительно слово «измерение».

Величины имеют два признака: количественный и качественный. Качественное описание выражается в размерности. Она обозначается как dim. Например, размерность таких основных объектов метрологии, как время, длина, масса, обозначается соответствующими заглавными буквами: dim t = Т, dim l = L, dim m = М, соответственно. Индекс размерности может иметь знак «плюс» или «минус», быть нулевым или в виде дроби. Когда он становится равным нулю, величина считается безразмерной.

Количественная характеристика величины – это размер. Она выражается в значении изучаемой величины. Получение достоверных данных о размере – конечные цель и результат каждого измерения.

Значение величины для конкретного объекта индивидуально и в каком-то смысле случайно. Однако в метрологии выделяют несколько видов значений:

– действительное – высчитывается экспериментальным путем. Оно близко к истинному значению, поэтому может заменить его в конкретной измерительной задаче. В случае многократных измерений рассчитывается как среднеарифметическая величина;

– истинное – «идеальное» количественное и качественное значение конкретной физической величины. Достижение такого значения невозможно, поэтому на практике всегда пользуются действительными значениями;

– результат наблюдения – это фактическое значение физической величины, определенное в результате однократного эксперимента.

Значения физических величин выражаются в единицах измерения. Измерения величин – это своего рода сравнение конкретного значения с величиной, которая принята за единицу данной величины. Единицы измерения относятся к объектам Федерального Закона «Об обеспечении единства измерений». В документе прописаны правила написания единиц величин и их применения на территории Российской Федерации.

Исходя из определения понятия «физическая величина» единицей физической величины называется такая физическая величина, которой присвоено числовое значение, равное единице.