Метрология Красноярск 2008 Огавление 1 2 3

Метрология Красноярск, 2008

Огавление 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. Основные постулаты метрологии Виды и методы измерений Понятие качества измерений Понятие метрологического обеспечения машиностроения. Основы метрологического обеспечения Метрологическая экспертиза документации Общие методы и способы решения задач по метрологической экспертизе Основы практических измерений Поверка средств измерений. Виды и методы поверки, калибровка Методики выполнения измерений. Порядок разработки и утверждения Ремонт средств измерений на примере ремонта штангенциркулей. Юстировка. Поверочные схемы Государственные испытания средств измерений Аккредитация метрологических служб на право проведения работ в области испытаний средств измерений. Порядок проведения аккредитации. Способ проведения испытаний Основные постулаты метрологии 2

1. Основные постулаты метрологии Красноярск, 2008

Определение метрологии Слово «метрология» означает «учение о мерах» . В современном понимании это наука об измерениях, о методах и средствах измерения, обеспечивающих их единство, об исходных единицах, их вещественном воплощении, о соотношениях между ними. Она же занимается установлением прототипов мер, методов хранения и сличения эталонов. Основные постулаты метрологии 4

Историческая справка • 21 декабря 1550 года. Двинская грамота Ивана Грозного о новых печатных мерах сыпучих тел – «осминах» . • 1736 год. По решению сената была образована комиссия весов и мер под председательством графа Головкина, главного директора Монетного двора. • 1842 год. Было создано первое метрологическое и поверочное учреждение России – Депо образцовых мер и весов. Основные постулаты метрологии 5

Историческая справка • 1892 год. Д. И. Менделеев принял предложенную ему должность ученого хранителя Депо. • 1931 год. Главная палата была переименована во Всесоюзный научно исследовательский институт по метрологии и стандартизации (ВИМС). Основные постулаты метрологии 6

Положения закона РФ об обеспечении единства измерений • Сохранение достигнутого уровня обеспечения единства измерений, в том числе в СНГ. • Обеспечение преемственного перехода от административного принципа управления метрологической деятельностью к законодательному. • Адаптация российской системы измерений к мировой системе. • Сохранение государственности измерительного дела в России. Основные постулаты метрологии 7

Структура Российской системы измерений Законодательство Конституция Закон Постановление правительства Условия жизни общества Экология, здравоохранение, безопасность труда, образование Экономика и производство Защита прав граждан и производства Оборона, торговля, суд, арбитраж, сертификация, рекорды, собственность Взаимные расчеты и торговые операции, ресурсосбережение, конкурентоспособность, совместимость и взаимозаменяемость Наука и техника Фундаментальные исследования, новые технологии, программы, международные работы, кадры Государственная функция обеспечения единства измерений (с направлениями) Условия жизни общества Экология, здравоохранение, безопасность труда, образование Основные постулаты метрологии 8

2. Виды и методы измерений

Виды и методы измерений 10

Методы измерений • Физические величины и системы единиц • Эталоны основных единиц СИ • Государственная система обеспечения единства измерений • Погрешности измерений Виды и методы измерений 11

Физическая величина – это свойство, общее в качественном отношении многим объектам, но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта. Термин «величина» – количественное понятие, т. е. это: • цена, стоимость товаров, выраженная в денежных единицах; • биологическая активность лекарств, измеряемая в международных единицах; • физические величины, т. е. свойства, присущие физическим объектам. Единица физической величины – величина, которой по определению придано значение, равное единице. Виды и методы измерений 12

Международная система единиц Система СИ Виды и методы измерений 13

Система СИ была принята XI Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 г. На территории РФ действует с 1 января 1982 г. в соответствии с ГОСТ 8. 417– 81. Виды и методы измерений 14

Достоинства системы СИ • Универсальность • Унификация всех областей и видов измерений • Когерентность величин • Возможность воспроизведения единиц с высокой точностью • Уменьшение числа допускаемых единиц Виды и методы измерений 15

Основные единицы СИ Наименование единицы Обозначение международное русское Килограмм kg кг Масса Метр m м Длина Секунда s с Время Ампер А А Сила электрического тока Кельвин К К Термодинамическая температура Моль mol моль Количество вещества Кандела cd кд Сила света Виды и методы измерений Измеряемая величина 16

Эталон единицы физической величины Эталон – это средство измерений (или комплекс средств измерений), предназначенное для воспроизведения и (или) хранения единицы и передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений и утвержденное в качестве эталона в установленном порядке. Виды и методы измерений 17

Эталонная база России имеет в своем составе 114 государственных эталонов (ГЭ) и более 250 вторичных эталонов единиц физических величин. • 52 находятся во Всероссийском научно исследовательском институте метрологии им. Д. И. Менделеева (ВНИИМ, Санкт Петербург), в том числе эталоны метра, килограмма, ампера, кельвина и радиана. • 25 – во Всероссийском научно исследовательском институте физико технических и радио технических измерений (ВНИИФТРИ, Москва), это эталоны единиц времени и частоты. • 13 – во Всероссийском научно исследовательском институте оптико физических измерений, в том числе эталон канделлы. • 5 и 6 – в Уральском и Сибирском научно исследовательских институтах метрологии. Виды и методы измерений 18

Государственная система обеспечения единства измерения • ГКРФСМ – Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии • ФАТРМ – осуществляет управление деятельностью по обеспечению единства измерений в России Виды и методы измерений 19

Состав ГМС • Государственные научные метрологические центры (ГНМЦ) • Органы ГМС на территории субъектов РФ Виды и методы измерений 20

Основные функции ГНМЦ • • Создание, совершенствование, хранение и применение государственных эталонов единиц величин. Передача размеров единиц величин от государственных эталонов исходным. Проведение государственных испытаний СИ. Разработка оборудования, необходимого для оснащения органов ГСМ. Информационное обеспечение предприятий и организаций по вопросам единства измерений. Проведение экспертизы разделов МО федеральных или иных программ. Подготовка и переподготовка высококвалифицированных кадров и т. д. Виды и методы измерений 21

Погрешности измерений Абсолютная погрешность D = А - Х ист Относительная погрешность = D C ист Приведённая погрешность γ Виды и методы измерений 22

Расчет погрешности измерительной системы сводится к оценке погрешностей ее отдельных ИК. Результирующая относительная погрешность ИК: ик(х)= ± к + и(|хп/х| – 1) , где Х – текущее значение измеряемой величины; ХП – предел данного диапазона измерения канала, при котором относительная погрешность минимальна; и, к – относительные погрешности, вычисленные соответственно в начале и в конце диапазона. Виды и методы измерений 23

Результирующая СКО погрешности ИК Поскольку ИК есть цепь различных воспринимающих, преобразовательных и регистрирующих звеньев, то для определения ик, (х) необходимо прежде всего оценить СКО погрешностей этих m звеньев i. Тогда результирующая СКО погрешности ИК будет: где i доп – дополнительные погрешности от m влияющих факторов j= j / j; i – границы допускаемой основной погрешности. Виды и методы измерений 24

3. Понятие качества измерений

Качество измерений – совокупность свойств измерений, обуславливающих соответствие средств, метода, методики, условий измерений и состояния единства измерений требованиям измерительной задачи. Понятие качество измерений 26

Качество измерений • Точность – это качество измерений, отражающее близость их результатов к истинному значению измеряемой величины. Высокая точность измерений соответствует малым погрешностям как систематическим, так и случайным. • Сходимость – это качество измерений, отражающее близость друг к другу результатов измерений, выполняемых в одинаковых условиях. Сходимость измерений отражает влияние случайных погрешностей. • Воспроизводимость – это такое качество измерений, которое отражает близость друг к другу результатов измерений, выполняемых в различных условиях (в различное время, в различных местах, различными методами и средствами). Понятие качество измерений 27

Вероятностный подход к описанию погрешностей Нормальный закон распределения погрешностей описывается формулой σ Понятие качество измерений σ 28

Вероятностный подход к описанию погрешностей Понятие качество измерений 29

Равномерный закон распределения Понятие качество измерений 30

Трапециевидный закон распределения Понятие качество измерений 31

Треугольный закон распределения Понятие качество измерений 32

Двухмодальный закон распределения Понятие качество измерений 33

Вероятностные оценки погрешностей Основными числовыми характеристиками законов распределения являются математическое ожидание и дисперсия, которые определяются выражениями: , . Понятие качество измерений 34

Гистограмма и эмпирическая кривая 1 – гистограмма; 2 – эмпирическая кривая, полигон распределения значений случайной величины Понятие качество измерений 35

4. Понятие метрологического обеспечения машиностроения. Основы метрологического обеспечения

Понятие метрологического обеспечения Метрологическое обеспечение – это установление и применение научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерений. Понятие метрологического обеспечения машиностроения. 37

Задачи метрологического обеспечения НСИ 1. Исследование метрологических характеристик и установление соответствия НСИ требованиям технических заданий, либо паспорту (проекту) завода изготовителя. 2. Установление рациональной номенклатуры НСИ. 3. Обеспечение НСИ средствами аттестации, поверки (НТД по поверке) при их разработке, изготовлении и эксплуатации. 4. Обеспечение постоянной пригодности НСИ к применению по назначению с нормированной для них точностью. 5. Сокращение сроков и снижение затрат на разработку, изготовление и эксплуатацию. Понятие метрологического обеспечения машиностроения. 38

5. Метрологическая экспертиза документации

Метрологическая экспертиза документации 1) это оценка: • • • рациональности номенклатуры измеряемых параметров; оптимальности требований к точности измерений; соответствия точности измерений заданным требованиям; полноты и правильности требований к точности СИ; контролепригодности конструкции (возможности контроля необходимых параметров процесса изготовления, испытаний, эксплуатации и ремонта); • возможности эффективного обслуживания выбранных СИ; • рациональности выбранных средств и методик выполнения измерений; 2) анализ использования вычислительной техники в измерительных операциях; 3) контроль метрологических терминов, наименований измеряемых величин и обозначений их единиц. Метрологическая экспертиза документации 40

Метрологическая экспертиза конструкторской документации Задачей МЭ рабочей конструкторской документации является анализ рациональности номенклатуры параметров, подлежащих измерениям, который включает: • рассмотрение возможности замены качественных требований (при их наличии) на требования физическим величинам; • принцип объективности и достоверности которых не оправдывает дополнительные затраты на организацию измерений. Метрологическая экспертиза документации к 41

Виды технической документации Объекты анализа при метрологической экспертизе Рациональность номенклатуры измеряемых параметров Оптимальность требований к точности измерений Объективность и полнота требований к точности СИ Контролепригодность конструкции (схемы) Возможность эффективного метрологического обслуживания СИ Рациональность выбранных методик и средств измерений Отчеты Техни о НИР, ческие Эксплуа Объекты Про условия, тацион граммы и анализа при пояснительн токолы метрологи ые записки к проекты ные и ре методики испы ческой техническим стандар монтные испыта таний экспертизе и эскизным тов документы ний проектам · · · Метрологические термины · · · · Применение ЭВМ · Техноло гические Проект Техноло инструк ные гические ции и докуме карты регламен нты ты · · · · Соответствие фактической точности измерений требуемой · · Метрологическая экспертиза документации · · · · 42

6. Общие методы и способы решения задач по метрологической экспертизе

МЭ чертежа детали выполняется в следующей последовательности 1. 2. 3. 4. 5. Проверяют соответствие (необходимость и достаточность) указанных непосредственно на чертеже и в технических требованиях допусков размеров, формы, расположения и шероховатости поверхностей служебному назначению детали и соответствующим государственным стандартам. Проверяют правильность терминологии в назначенных технических требованиях, соответствие наименований измеряемых величин и обозначение их единиц Международной системе единиц. Проверяют взаимную увязку допусков размеров, взаимного расположения и шероховатости поверхностей детали. Определяют контролепригодность указанных в п. 3 допусков. Определяют достоверность контроля назначенных норм точности. Общие методы и способы решения задач по метрологической 44

Общие методы и способы решения задач по метрологической экспертизе Общие методы и способы решения задач по метрологической 45

Общие методы и способы решения задач по метрологической экспертизе Общие методы и способы решения задач по метрологической 46

Схема измерения соосности шеек подшипники шлицевого вала Общие методы и способы решения задач по метрологической 47

Схема измерения радиального биения наружной поверхности шлиц относительно общей оси шеек подшипники Общие методы и способы решения задач по метрологической 48

Схема измерения торцового биения заплечиков вала относительно общей оси шеек подшипники Общие методы и способы решения задач по метрологической 49

Оформление замечаний и предложений № Замечание Предложение 1 Не ограничена полем допуска резьбовая поверхность шлицевого вала М 22 х 1, 5 Установить требования по точности резьбы М 22 1, 5– 6 g 2 Рациональность выбранных методик и средств измерений Проставить допуск соосности шеек вала подшипники 0, 005 мм Общие методы и способы решения задач по метрологической 50

Результат работы экспертов с учетом замечаний Общие методы и способы решения задач по метрологической 51

Результат работы экспертов с учетом замечаний Общие методы и способы решения задач по метрологической 52

7. Основы практических измерений

Основы практических измерений • Образцовые средства измерений предназначены для поверки по ним других средств измерений, как рабочих, так и образцовых менее высокой точности. • Рабочие средства измерений применяются для измерений, служащих тем или иным конкретным целям в разнообразной деятельности человека. Основы практических измерений 54

Схема передачи единицы физической величины Первичный эталон Рабочий эталон Образцовые измерительные устройства 1 го разряда 2 го разряда 3 го разряда 4 го разряда Рабочие измерительные устройства Наивысшей точности Высокой точности Высшей точности Средней точности Низшей точности Основы практических измерений 55

Классификация видов средств измерений Средства измерений Мера Измерительный преобразователь Измерительный прибор Основы практических измерений Измери тельные установки Вспомогательное средство измерений Измерительно вычислительные комплексы Измерительные системы 56

Метрологические характеристики измерительных средств 1. Цена деления шкалы прибора – это значение измеряемой величины, соответствующее одному делению шкалы прибора. 2. Интервал деления шкалы (или деление шкалы) – это расстояние между осями симметрии двух рядом лежащих штрихов. 3. Диапазон показаний – область значений шкалы, ограниченная ее начальным и конечным значениями. 4. Диапазон измерений – область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности средства измерений. 5. Предел измерений – наибольшее или наименьшее значение диапазона измерений. Основы практических измерений 57

Метрологические характеристики измерительных средств 6. Чувствительность измерительного прибора – отношение изменения сигнала на выходе измерительного прибора к вызывающему его изменение изменению измеряемой величины. 7. Погрешность показаний – алгебраическая разность между показанием прибора и действительным значением измеряемой величины. 8. Допускаемая погрешность – наибольшая по абсолютной величине погрешность меры или показаний прибора, допускаемая действующими нормами. 9. Систематические составляющие допускаемой погрешности нормируются пределом допускаемой составляющей погрешности. Основы практических измерений 58

Метрологические характеристики измерительных средств 10. Случайные составляющие нормируются пределом допускаемого среднего квадратичного отклонения случайной составляющей погрешности. 11. Вариация (нестабильность) показаний – наибольшая, полученная экспериментально, разность между отдельными повторными результатами измерений одной и той же величины при неизменных внешних условиях. 12. Измерительное усилие – усилие, возникающее в процессе измерения при контакте измерительных поверхностей прибора с измеряемым объектом. Основы практических измерений 59

Принципы выбора средств измерений • Выбор СИ по коэффициенту уточнения • Выбор СИ по принципу безошибочности контроля • Выбор СИ с учетом безошибочности контроля его стоимости • Выбор СИ по технико экономическим показателям Основы практических измерений и 60

Зависимость р от диапазона допусков и квалитета Квалитет 2– 5 6– 7 8– 9 10– 16 Средний коэффициент, р 0, 35 0, 30 0, 25 0, 20 Диапазон допусков, мкм 0, 8– 2, 7 6– 63 14– 155 40– 4000 Диапазон (Λизм), ± мкм 0, 25– 10, 00 2– 9 3, 5– 39, 0 8– 800 Основы практических измерений 61

Вероятности Р 1 и Р 2 при контроле по размерным параметрам Коэффи циент, Кт 10, 40 5, 50 3, 30 2, 10 1, 70 1, 40 1, 04 Закон распределения контролируемых параметров Нормальный Существенно положительных величин Закон распределения погрешности измерения Нормальный Равномерный Р 1 0, 4 0, 9 1, 7 2, 8 3, 5 4, 1 5, 4 Р 2 0, 37 0, 87 1, 60 2, 60 3, 10 3, 75 5, 00 Основы практических измерений Р 1 0, 75 1, 30 2, 25 3, 70 4, 75 5, 80 8, 25 Р 2 0, 7 1, 2 2, 0 3, 4 4, 5 5, 4 7, 8 Р 1 0, 25 0, 70 1, 25 2, 20 2, 75 3, 25 4, 35 Р 2 0, 15 0, 60 1, 20 1, 90 2, 50 3, 00 3, 90 Р 1 0, 5 0, 9 1, 5 2, 8 3, 8 4, 2 5, 5 Р 2 0, 4 0, 7 1, 5 2, 4 3, 2 3, 5 5, 2 62

8. Поверка средств измерений. Виды и методы поверки, калибровка

Поверка средств измерений – это совокупность операций, выполняемых органами государственной метрологической службы (другими уполномоченными на то органами, организациями) с целью определения и подтверждения соответствия средства измерений установленным техническим требованиям. Поверка средств измерений. Виды и методы поверки, калибровка 64

Виды поверок • Первичная • Периодическая • Внеочередная • Инспекционная • Экспертная Поверка средств измерений. Виды и методы поверки, калибровка 65

Калибровка – это совокупность субъектов деятельности и работ, направленных на обеспечение единства измерений в сферах, не подлежащих государственному метрологическому контролю и надзору. Поверка средств измерений. Виды и методы поверки, калибровка 66

Структура российской системы калибровки Поверка средств измерений. Виды и методы поверки, калибровка 67

9. Методики выполнения измерений. Порядок разработки и утверждения

Методики выполнения измерений Под методикой выполнения измерений понимают совокупность приемов и способов использования средств измерений, средств вычислений и вспомогательных средств, а также совокупность приемов и способов обработки данных измерений, осуществляемых для получения количественной информации значения измеряемой величины (результата измерения) с требуемой точностью. Методики выполнения измерений. Порядок разработки и утверждения 69

Схема разработки МВИ Разработка, согласование и утверждение технического задания на МВИ Формирование исходных данных для разработки Выбор (разработка) метода и средств измерений Проведение испытаний и подтверждение типа средств измерений Выбор методов и средств поверки (калибровки) используемых средств измерений Разработка методов оперативного контроля точности измерений Разработка и экспертиза документов на МВИ Аттестация МВИ Стандартизация МВИ Утверждение документов на МВИ Методики выполнения измерений. Порядок разработки и утверждения 70

10. Ремонт средств измерений на примере ремонта штангенциркулей. Юстировка. Поверочные схемы

Ремонтом принято называть технологический процесс восстановления метрологических характеристик СИ с последующей процедурой утверждения принципа единства измерения (юстировка, поверка). Ремонт средств измерений на примере ремонта штангенциркулей 72

Устройство штангенциркуля 7 1 2 5 4 3 6 l 1 9 l 8 Ремонт средств измерений на примере ремонта штангенциркулей 73

Поверочные схемы Образцовые меры государственных метрологических организаций Образцовые концевые меры длины 3 го разряда Набор N 1234 Оптиметр N 567 Контактный интерферометр Концевая измерительная машина Образцовые концевые меры длины 4 го разряда Набор N 987 Установочные меры для микрометров (до 250 мм) Образцовые концевые меры длины 4 го разряда. Набор N 8543 Установочные меры для микрометров (до 1000 мм) Микрометры Ремонт средств измерений на примере ремонта штангенциркулей 74

11. Государственные испытания средств измерений

Система испытаний СИ Федеральное агентство по техническому регулированию ВНИИМС Регистрация СИ Экспертиза результатов испытаний Формирование вида испытаний Утверждение типа СИ Выдача сертификата утверждения типа Государственные центры испытаний средств измерений (ГЦИ СИ) Проведение испытаний Изготовители средств измерений Лицензирование Испытание на соответствие утвержденному типу Органы государственной метрологической службы Государственные испытания средств измерений 76

Метрологическая аттестация – это признание средства измерений (испытаний) узаконенным для применения (с указанием его метрологического назначения и метрологических характеристик) на основании тщательных исследований метрологических свойств этого средства. Государственные испытания средств измерений 77

Метрологической аттестации подвергаются Измерительные приборы, выпускаемые или ввозимые из за границы в единичных экземплярах или мелкими партиями Измерительные системы и их каналы Государственные испытания средств измерений СИ, не подлежащие государственным испытаниям или утверждению типа органами ГСМ Опытные образцы СИ 78

Основные задачи аттестации СИ • Определение метрологических характеристик и установление их соответствия требованиям нормативной документации. • Установление перечня метрологических характеристик, подлежащих контролю при поверке. • Опробование методики поверки. Государственные испытания средств измерений 79

Метрологическая аттестация • Метрологическая аттестация проводится органами государственной и ведомственной метрологической службы по специально разработанной и утвержденной программе. • Результаты оформляются в виде протокола определенной формы. • При положительных результатах выдается Свидетельство о метрологической аттестации установленной формы, где указывают его установленные метрологические характеристики. Государственные испытания средств измерений 80

Различие между измерением и испытанием Погрешность испытания складывается из погрешности измерения и погрешности воспроизведения Измерение можно считать частным случаем испытания, при котором погрешности воспроизведения не представляют интереса Государственные испытания средств измерений 81

Основная цель аттестации испытательного оборудования – подтверждение возможности воспроизведения условий испытаний в пределах допустимых отклонений и установление пригодности использования данного оборудования в соответствии с его назначением. Аттестация Повторная Первичная Периодическая Государственные испытания средств измерений 82

Первичная аттестация заключается: в экспертизе эксплуатационной и проектной документации; в экспериментальном определении технических характеристик испытательного оборудования и подтверждении пригодности его к использованию. Технические и метрологические характеристики, подлежащие определению, выбирают из числа нормированных и установленных в документации характеристик. Они должны определять возможность оборудования воспроизводить условия испытаний в течение установленного времени. Государственные испытания средств измерений 83

Первичная аттестация В процессе первичной аттестации устанавливается: • Возможность воспроизведения внешних воздействующих факторов и (или) режимов функционирования объекта испытания, установленных в документах на методики испытаний конкретных видов продукции. • Отклонения параметров условий испытаний от нормированных значений. • Обеспечение безопасности персонала и отсутствие вредного воздействия на окружающую среду. • Перечень характеристик оборудования, которые должны проверять при периодической аттестации, а также методы, средства и периодичность ее применения. Государственные испытания средств измерений 84

Проведение периодической аттестации • Периодическую аттестацию проводят в процессе эксплуатации испытательного оборудования в объеме, необходимом для подтверждения соответствия его характеристик требованиям нормативных документов. • Результаты аттестации оформляются протоколом. • При положительных результатах на оборудование выдается аттестат определенной формы и делается запись в эксплуатационные документы. Государственные испытания средств измерений 85

12. Аккредитация метрологических служб на право проведения работ в области испытаний средств измерений. Порядок проведения аккредитации. Способы проведения испытаний

Аккредитация метрологических служб Аккредитация – официальное признание органом по аккредитации компетенции физического или юридического лица выполнять работы в определенной области оценки соответствия. Аккредитация метрологических служб 87

Российская система аккредитации (РОСА) Аккредитирующий орган В обязательной сфере (законодательно регулируемой) Госстандарт России В добровольной сфере (законодательно не регулируемой) Другие органы исполнительной власти Юридические лица, отвечающие установленным требованиям Испытательные лаборатории. Измерительные лаборатории. Метрологические службы юридических лиц. Органы по сертификации. Контролирующие органы. Организации подготовки экспертов Аккредитация метрологических служб 88