Основы стандартизации, сертификации и метрологии. Средства измерений. Понятие о средстве измерений. Классификация средств измерений. Требования к средствам измерений. Метрологические характеристики средств измерений. Надежность средств измерений

Индивидуальные онлайн уроки: Отправьте запрос сейчас: ut2018@protonmail.com    
Математика (ЕГЭ, ОГЭ), Английский язык (разговорный, грамматика, TOEFL)
Решение задач: по математике, IT, экономике, психологии





«Основы стандартизации, сертификации и метрологии» 

Лекция 5

 

Тема лекции: «Средства измерений»

Разделы лекции:

 

1. Понятие о средстве измерений.

2. Классификация средств измерений. Требования к средствам измерений.

3. Метрологические характеристики средств измерений. Надежность средств измерений.

РАЗДЕЛ 1. ПОНЯТИЕ О СРЕДСТВЕ ИЗМЕРЕНИЙ.

В Федеральном законе «Об обеспечении единства измерений» от 26.06.2008 № 102-ФЗ (последняя редакция: в редакции Федерального закона от 13.07.2015 № 233-ФЗ) установлено следующее понятие средства измерений.

ЧТО ТАКОЕ СРЕДСТВО ИЗМЕРЕНИЙ?

СРЕДСТВО ИЗМЕРЕНИЙ - техническое средство, предназначенное для измерений.

ЧТО ПРЕДСТАВЛЯЮТ СОБОЙ ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К СРЕДСТВАМ ИЗМЕРЕНИЙ?

ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К СРЕДСТВАМ ИЗМЕРЕНИЙ - требования, которые определяют особенности конструкции средств измерений (без ограничения их технического совершенствования) в целях сохранения их метрологических характеристик в процессе эксплуатации средств измерений, достижения достоверности результата измерений, предотвращения несанкционированных настройки и вмешательства, а также требования, обеспечивающие безопасность и электромагнитную совместимость средств измерений.

Таким образом, под средством измерений понимается  техническое средство (или комплекс), предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящие и (или) хранящие единицу физической величины, размер которой принимается неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени.

Данное определение раскрывает метрологическую сущность СИ, заключающуюся в умении хранить (или воспроизводить) единицу ФВ и в неизменности размера хранимой единицы во времени. Первое обуславливает возможность выполнения измерения, суть которого, как известно, состоит в сравнении измеряемой величины с ее единицей. Второе принципиально необходимо, поскольку при изменении размера хранимой единицы ФВ с помощью данного СИ нельзя получить результат с требуемой точностью.

Средство измерения является обобщенным понятием, объединяющим разнообразные конструктивно законченные устройства, которые реализуют одну из двух функций:

воспроизводят величину заданного (известного) размера, например, гиря – заданную массу, магазин сопротивлений – ряд дискретных значений сопротивления;

вырабатывают сигнал (показание), несущий информацию о значении измеряемой величины.

ЧТО ТАКОЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ?

Показания СИ либо непосредственно воспринимаются органами чувств человека (например, показания стрелочного или цифрового приборов), либо они недоступны восприятию человеком и используются для преобразования другими СИ. Последняя функция, являющаяся основной, может быть реализована только посредством измерения. Очевидно, что СИ должны содержать устройства (блоки, модули), которые выполняют эти элементарные операции. Такие устройства называются элементарными средствами измерений. В их число входят

- ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ,

- МЕРЫ и

- УСТРОЙСТВА СРАВНЕНИЯ (КОМПАРАТОРЫ).

ЧТО ТАКОЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ?

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ – это техническое средство с нормированными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины Х в другую величину или измерительный сигнал X1, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи. Информативным параметром входного сигнала СИ является параметр входного сигнала, функционально связанный с измеряемой величиной и используемый для передачи ее значения или являющийся самой измеряемой величиной.

ЧТО ТАКОЕ МЕРА КАК СРЕДСТВО ИЗМЕРЕНИЙ?

МЕРА – это средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного (однозначная мера) или нескольких (многозначная мера) размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью.

ЧТО ТАКОЕ УСТРОЙСТВО СРАВНЕНИЯ?

УСТРОЙСТВО СРАВНЕНИЯ – это техническое средство, дающее возможность выполнять сравнение выходных сигналов мер однородных величин или же показаний измерительных приборов.

ЧТО ПРЕДСТАВЛЯЮТ СОБОЙ МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ?

МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ - требования к влияющим на результат и показатели точности измерений характеристикам (параметрам) измерений, эталонов единиц величин, стандартных образцов, средств измерений, а также к условиям, при которых эти характеристики (параметры) должны быть обеспечены.

Обобщенная структурная схема СИ показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Обобщенная структурная схема средства измерения.

ЧТО ЯВЛЯЕТСЯ ВХОДНЫМ СИГНАЛОМ?

 

Входным сигналом является измерительный сигнал, один из параметров которого однозначно связан с измеряемой ФВ:

 

X=X{a0 [Ψ(t)], a1, a2, …, an}, (1)

где a0 – информативный параметр входного сигнала; Ψ(t) – измеряемая ФВ;

a1, a2, …, an – неинформативные параметры входного сигнала.

ЧТО ТАКОЕ НЕИНФОРМАТИВНЫЙ ПАРАМЕТР ВХОДНОГО СИГНАЛА?

Неинформативным параметром входного сигнала СИ называется параметр, не используемый для передачи значения измеряемой величины.

Входным сигналом Х является измерительный сигнал, один из параметров которого однозначно связан с измеряемой ФВ. Входной сигнал преобразуется измерительным преобразователем в пропорциональный ему сигнал X1. Следует отметить, что преобразователь может отсутствовать, тогда входной сигнал будет подаваться непосредственно на один из входов устройства сравнения.

Сигнал со входа измерительного преобразователя поступает на первый  вход устройства сравнения, на второй вход которого подается известный сигнал с выхода многозначной меры. Роль меры могут выполнять самые разные устройства. Например, при взвешивании на весах мерой являются гири с известным весом. Во многих простых СИ роль меры выполняют отсчетные шкалы, предварительно проградуированные в единицах измеряемой величины. К таким средствам измерений относятся линейка, термометр, электромеханические вольтметры и др. Значение выходной величины многозначной меры изменяется в зависимости от величины цифрового кода N, который условно считается ее входным сигналом. Изменение кода осуществляется оператором (например, при взвешивании на весах) или автоматически. Так как цифровой код – величина дискретная, то и выходной сигнал меры изменяется ступенями – квантами, кратными единице сравниваемых величин.

 

Сравнение измеряемой и известной величин осуществляется при помощи устройства сравнения. Роль последнего в простейших СИ, имеющих отсчётные шкалы, выполняет человек. Например, при измерении длины тела он сопоставляет её с многозначной мерой – линейкой и находит количество N квантов меры, равное с точностью до кванта измеряемой длине. Устройство сравнения дает информацию, о том, какое значение выходного сигнала многозначной меры должно быть установлено автоматически или при участии оператора. Процесс измерения прекращается при достижении равенства между величинами X1 и XM с точностью до кванта [Q].

 

Выходным сигналом может служить один из трех сигналов: Y1, Y2, Y3.

 

Если выходной сигнал предназначен для непосредственного восприятия человеком, то его роль выполняет сигнал Y1=N. В данном случае код N является привычным для человека десятичным кодом. Если же выходной сигнал СИ предназначен для применения в других средствах измерения, то в качестве него может быть использован любой из трех сигналов: Y1, Y2, Y3. Первый из них при этом является цифровым, как правило, двоичным кодом, который «понимают» входные цифровые устройства последующих СИ. Аналоговый сигнал Y2 квантован по уровню и представляет собой эквивалент цифрового кода N, а СИ в этом случае предназначено для воспроизведения ФВ заданного размера и состоит только из одного блока – многозначной меры. Сигнал Y3 представляет собой измерительное преобразование входного сигнала X, СИ при этом используется только как измерительный преобразователь, а остальные его блоки отсутствуют.

 

Таким образом, структурная схема, показанная на рисунке 1, описывает три возможных варианта:

 

- СИ включает все блоки и вырабатывает сигнал Y1, доступный восприятию органами чувств человека. Возможно формирование выходных сигналов Y2 и Y3, предназначенных только для преобразования другими СИ;

 

СИ состоит только из измерительного преобразователя, выходной сигнал которого равен Y3;

 

СИ содержит только меру, выходной сигнал которой равен Y2.

 

В общем случае выходной сигнал Y(X) описывается выражением

 

Y=Y{b0[X], b1, b2, ..., bm, S1, S2, ..., Sh, ξ1, ξ2, ..., ξk},

 

где b0[X] информативный параметр выходного сигнала, функционально связанный с информативным параметром входного сигнала (1);

 

b1, b2, ..., bm – неинформативные параметры выходного сигнала;

 

S1, S2, ..., Sh – параметры СИ, зависящие от его методической и аппаратной реализации;

 

ξ1, ξ2, ..., ξk – влияющие величины.

 

ЧТО ТАКОЕ НЕИНФОРМАТИВНЫЙ ПАРАМЕТР ВЫХОДНОГО СИГНАЛА?

 

Неинформативным параметром выходного сигнала СИ называется параметр, не используемый для передачи или индикации значения информативного параметра входного сигнала.

 

В КАКИХ РЕЖИМАХ МОГУТ РАБОТАТЬ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ?

 

СИ могут работать в двух режимах:

 

-СТАТИЧЕСКОМ и

 

- ДИНАМИЧЕСКОМ.

 

СТАТИЧЕСКИЙ РЕЖИМ – это такой режим работы СИ, при котором изменением измеряемой величины за время, требуемое для проведения одного измерения, можно пренебречь.  В ДИНАМИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ такое пренебрежение недопустимо, поскольку указанное изменение превышает допустимую погрешность.

РАЗДЕЛ 2. КЛАССИФИКАЦИЯ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ. ТРЕБОВАНИЯ К СРЕДСТВАМ ИЗМЕРЕНИЙ.

 

Средства измерения, используемые в различных областях науки и техники, чрезвычайно многообразны. Однако для этого множества можно выделить некоторые общие признаки, присущие всем СИ независимо от области применения. Эти признаки положены в основу различных классификаций СИ, которые рассмотрены далее.

 

По роли, выполняемой в системе обеспечения единства измерений, СИ делятся на:

 

МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ, предназначенные для метрологических целей – воспроизведение единицы и (или) хранения или передачи размера единицы;

 

РАБОЧИЕ, применяемые для измерений, не связанных с передачей размера единиц.

 

По уровню автоматизации все СИ делятся на три группы:

 

1 ГРУППА − НЕАВТОМАТИЧЕСКИЕ;

 

2 ГРУППА − АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ, производящие в автоматическом режиме одну или часть измерительной операции;

 

3 ГРУППА - АВТОМАТИЧЕСКИЕ, производящие без непосредственного участия человека измерения и все операции, связанные с обработкой их результатов (регистрацией), передачей данных или выработкой управляющих сигналов.

 

По уровню стандартизации средства измерений подразделяются на:

 

СТАНДАРТИЗОВАННЫЕ, изготовленные в соответствии с требованиями государственного или отраслевого стандарта;

 

НЕСТАНДАРТИЗОВАННЫЕ (УНИКАЛЬНЫЕ), предназначенные для решения специальной измерительной задачи, в стандартизации требований к которым нет необходимости.

 

По отношению к измеряемой физической величине средства измерения делятся на:

 

ОСНОВНЫЕ – это СИ той физической величины, значение которой необходимо получить в соответствии с измерительной задачей;

 

ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ – это СИ той физической величины, влияние которой на основное средство измерений или объект измерения необходимо учесть для получения результатов измерения требуемой точности.

 

Классификация по роли в процессе измерения и выполняемым функциям является основной и представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Классификация средств измерений по их роли в процессе измерения и выполняемым функциям.

 

КАКИЕ ТРЕБОВАНИЯ ПРЕДЪЯВЛЯЮТСЯ К СРЕДСТВАМ ИЗМЕРЕНИЙ?

 

В статье 9 «Требования к средствам измерений» Федерального закона «Об обеспечении единства измерений» от 26.06.2008 № 102-ФЗ (последняя редакция: в редакции Федерального закона от 13.07.2015 № 233-ФЗ) установлены следующие требования к средствам измерений.

 

«1. В сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений к применению допускаются средства измерений утвержденного типа, прошедшие поверку в соответствии с положениями настоящего Федерального закона, а также обеспечивающие соблюдение установленных законодательством Российской Федерации об обеспечении единства измерений обязательных требований, включая обязательные метрологические требования к измерениям, обязательные метрологические и технические требования к средствам измерений, и установленных законодательством Российской Федерации о техническом регулировании обязательных требований. В состав обязательных требований к средствам измерений в необходимых случаях включаются также требования к их составным частям, программному обеспечению и условиям эксплуатации средств измерений. При применении средств измерений должны соблюдаться обязательные требования к условиям их эксплуатации.

 

2. Конструкция средств измерений должна обеспечивать ограничение доступа к определенным частям средств измерений (включая программное обеспечение) в целях предотвращения несанкционированных настройки и вмешательства, которые могут привести к искажениям результатов измерений.

 

3. Порядок отнесения технических средств к средствам измерений устанавливается федеральным органом исполнительной власти, осуществляющим функции по выработке государственной политики и нормативно-правовому регулированию в области обеспечения единства измерений.»

 

РАЗДЕЛ 3. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ. НАДЕЖНОСТЬ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ.

 

При использовании средств измерений принципиально важно знать степень соответствия информации об измеряемой величине, содержащейся в выходном сигнале, ее истинному значению. С этой целью для каждого СИ вводятся и нормируются определенные метрологические характеристики (МХ).

 

КАКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СВОЙСТВ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ НАЗЫВАЮТСЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКИМИ?

 

Метрологическими называются характеристики свойств СИ, оказывающие влияние на результат измерения и его погрешности.

 

Характеристики, устанавливаемые нормативными документами, называются нормируемыми, а определяемые экспериментально – действительными.

 

Метрологические характеристики СИ позволяют:

 

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

 

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

 

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

 

сравнивать СИ различных типов с учетом условий применения.

 

При разработке принципов выбора и нормирования средств измерений необходимо придерживаться следующих положений:

 

1. Основным условием возможности решения всех перечисленных задач является наличие однозначной связи между нормированными МХ и инструментальными погрешностями. Эта связь устанавливается посредством математической модели инструментальной составляющей погрешности, в которой нормируемые МХ должны быть аргументами.

 

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

 

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

 

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

 

- погрешности, обусловленной отличием действительной функции преобразования в нормальных условиях от номинальной, приписанной соответствующими документами данному типу СИ. Эта погрешность называется ОСНОВНОЙ;

 

- погрешности, обусловленной реакцией СИ на изменение внешних влияющих величин и неинформативных параметров входного сигнала относительно их номинальных значений. Эта погрешность называется ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ;

 

- погрешности, обусловленной реакцией СИ на скорость (частоту) изменения входного сигнала. Эта составляющая, называемая ДИНАМИЧЕСКОЙ ПОГРЕШНОСТЬЮ, зависит и от динамических свойств СИ, и от частотного спектра входного сигнала;

 

- погрешности, обусловленной взаимодействием СИ с объектом измерений или с другими СИ, включенными в измерительную систему.

 

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

 

5. Нормируемые МХ должны быть инвариантны к условиям применения и режиму работы СИ и отражать только его свойства.

 

6. Нормируемые МХ, приводимые в нормативной документации, отражают свойства не отдельно взятого экземпляра СИ, а всей совокупности СИ этого типа, то есть являются номинальными.

 

Перечень нормируемых МХ делится на шесть основных групп, которые приведены на рисунке 3.

 

КАКИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДОЛЖНЫ БЫТЬ ИЗВЕСТНЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ?

 

Для определения результатов измерений должны быть известны следующие МХ:

 

Функция преобразования F(X). Данная функция нормируется для измерительных преобразователей и приборов с неименованной шкалой или со шкалой, отградуированной в единицах, отличных от единиц входной величины. Задается в виде формулы, таблицы или графика и используется для определения значений измеряемой величины Х в рабочих условиях применения СИ по известному значению информативного параметра его выходного сигнала.

 

Значение одно- (Y) или многозначной (Yi) меры. Для этих характеристик нормируются номинальные или индивидуальные значения. Они используются для устройств, применяемых в качестве мер.

 

Цена деления шкалы измерительного прибора или многозначной меры. Нормирование цены деления производится для показывающих приборов с равномерной шкалой, функция преобразования которых отображается на именованной шкале. При неравномерной шкале нормируется минимальная цена деления.

 

Характеристики цифрового кода, используемого в СИ и их элементах. К ним относятся: вид выходного кода, число его разрядов, цена единицы младшего разряда. Эти характеристики нормируются для цифровых приборов.

 

Метрологические характеристики погрешностей СИ, приведенные на рисунке 3, описывают погрешности, обусловленные собственными свойствами СИ в нормальных условиях эксплуатации. Суммарное значение этих погрешностей образует основную погрешность СИ.

Рисунок 3. Номенклатура метрологических характеристик средств измерений.

 

КЛАССЫ ТОЧНОСТИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ.

 

В настоящее время в эксплуатации находится достаточно большое число СИ, метрологические характеристики которых нормированы несколько по-другому, а именно, на

основе классов точности.

 

ЧТО ТАКОЕ КЛАСС ТОЧНОСТИ?

 

КЛАСС ТОЧНОСТИ – это обобщенная характеристика СИ, выражаемая пределами допускаемых значений его основной и дополнительной погрешностей, а также другими характеристиками, влияющими на точность. Класс точности не является непосредственной оценкой точности измерений, выполняемых этим СИ, поскольку погрешность зависит еще от ряда факторов: метода измерений, условий измерений и т.д. Класс точности лишь позволяет судить о том, в каких пределах находится погрешность СИ данного типа.

 

Пределы допускаемой основной погрешности ∆ СИ, определяемые классом точности, – это интервал, в котором находится значение основной погрешности СИ. Классы точности СИ устанавливаются в стандартах или технических условиях. Средство измерения может иметь два и более класса точности. Например, при наличии у него двух или более диапазонов измерений одной и той же физической величины ему можно присваивать два или более класса точности. Приборы, предназначенные для измерения нескольких физических величин, также могут иметь различные классы точности для каждой измеряемой величины.

 

Пределы допускаемых основной и дополнительной погрешностей выражают в форме приведенных, относительных или абсолютных погрешностей. Выбор формы представления зависит от характера изменения погрешностей в пределах диапазона измерений, а также от условий применения и назначения СИ.

 

В технической документации классы точности, установленные в виде абсолютных погрешностей, обозначают, например, «Класс точности М», а на приборе – буквой «М». Для обозначения используются прописные буквы латинского алфавита или римские цифры, причём меньшие пределы погрешностей должны соответствовать буквам, находящимся ближе к началу алфавита, или меньшим цифрам.

 

РАЗДЕЛ 3. НАДЕЖНОСТЬ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ.

 

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ МЕТРОЛОГИЧЕСКОЙ НАДЕЖНОСТИ.

 

В процессе эксплуатации метрологические характеристики и параметры средства измерений претерпевают изменения. Эти изменения носят случайный монотонный или флуктуирующий характер и приводят к отказам, то есть к невозможности СИ выполнять свои функции. Отказы делятся на неметрологические и метрологические.

 

Неметрологическим называется отказ, обусловленный причинами, не связанными с изменением МХ средства измерений. Они носят, главным образом, явный характер, проявляются внезапно и могут быть обнаружены без проведения поверки.

 

Метрологическим называется отказ, вызванный выходом МХ из установленных допустимых границ. Как правило, метрологические отказы происходят значительно чаще, чем неметрологические. Это обусловливает необходимость разработки специальных методов их прогнозирования и обнаружения.

 

Метрологические отказы подразделяются на внезапные и постепенные.

 

Внезапным называется отказ, характеризующийся скачкообразным изменением одной или нескольких МХ. Эти отказы в силу их случайности невозможно прогнозировать. Их последствия (сбой показаний, потеря чувствительности и т.п.) легко обнаруживаются в ходе эксплуатации прибора, то есть по характеру проявления они являются явными. Особенность

 

внезапных отказов – постоянство во времени их интенсивности. Это дает возможность применять для анализа данных отказов классическую теорию надежности.

 

Постепенным называется отказ, характеризующийся монотонным изменением одной или нескольких МХ. По характеру проявления постепенные отказы являются скрытыми и могут быть выявлены только по результатам периодического контроля СИ.

 

С понятием «метрологический отказ» тесно связано понятие метрологической исправности средства измерений. Под ней понимается состояние СИ, при котором все нормируемые МХ соответствуют установленным требованиям. Способность СИ сохранять установленные значения метрологических характеристик в течение заданного времени при определенных режимах и условиях эксплуатации называется метрологической надежностью. Специфика проблемы метрологическое надежности состоит в том, что для нее основное положение классической теории надежности о постоянстве во времени интенсивности отказов оказывается неправомерным.

 

Современная теория надежности ориентирована на изделия, обладающие двумя характерными состояниями: работоспособным и неработоспособным. Постепенное изменение погрешности СИ позволяет ввести сколь угодно много работоспособных состояний с различным уровнем эффективности функционирования, определяемым степенью приближения погрешности к допустимым граничным значениям.

 

Понятие метрологического отказа является в известной степени условным, поскольку определяется допуском на МХ, который в общем случае может меняться в зависимости от конкретных условий. Важно и то, что зафиксировать точное время наступления метрологического отказа ввиду скрытого характера его проявления невозможно, в то время как явные отказы, с которыми оперирует классическая теория надежности, могут быть обнаружены в момент их возникновения. Все это потребовало разработки специальных методов анализа метрологической надежности СИ.

 

Надежность СИ характеризует его поведение с течением времени и является обобщенным понятием, включающим стабильность, безотказность, долговечность, ремонтопригодность (для восстанавливаемых СИ) и сохраняемость.

 

Стабильность средства измерения является качественной характеристикой, отражающей неизменность во времени его МХ. Она описывается временными зависимостями параметров закона распределения погрешности.

 

Метрологические надежность и стабильность являются различными свойствами одного и того же процесса старения СИ. Стабильность несет больше информации о постоянстве метрологических свойств средства измерений. Это как бы его «внутреннее» свойство. Надежность, наоборот, является «внешним» свойством, поскольку зависит как от стабильности, так и от точности измерений и значений используемых допусков.

 

Безотказностью называется свойство СИ непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени. Она характеризуется двумя состояниями: работоспособным и неработоспособным.

 

Однако для сложных измерительных систем может иметь место и большее число состояний, поскольку не всякий отказ приводит к полному прекращению их функционирования. Отказ является случайным событием, связанным с нарушением или прекращением работоспособности СИ. Это обусловливает случайную природу показателей безотказности, главным из которых является распределение времени безотказной работы СИ.

 

Долговечность – это свойство СИ сохранять свое работоспособное состояние до наступления предельного состояния. Работоспособным называется такое состояние СИ, при котором все его МХ соответствуют нормированным значениям. Предельным называется состояние СИ, при котором его применение недопустимо.

 

После метрологического отказа характеристики средства измерения соответствующими регулировками могут быть возвращены в допустимые диапазоны. Процесс проведения регулировок может быть более или менее длительным в зависимости от характера метрологического отказа, конструкции СИ и ряда других причин. Поэтому в характеристику надежности введено понятие «ремонтопригодность».

 

Ремонтопригодность – свойство СИ, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, восстановлению и поддержанию его работоспособного состояния путем технического обслуживания и ремонта. Оно характеризуется затратами времени и средств на восстановление СИ после метрологического отказа и поддержание его в работоспособном состоянии. Процесс изменения МХ идет непрерывно и независимо от того, используется ли СИ или оно хранится на складе. Свойство СИ сохранять значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности как в течение эксплуатации, так и после хранения и транспортирования называется его сохраняемостью.

 

ИЗМЕНЕНИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ.

 

Метрологические характеристики СИ могут изменяться в процессе эксплуатации. В дальнейшем будем говорить об изменениях погрешности ∆(t), подразумевая, что вместо нее может быть аналогичным образом рассмотрена любая другая МХ.

 

Изменение МХ средств измерений во времени обусловлено процессами старения в его узлах и элементах, вызванными взаимодействием с внешней окружающей средой. Эти процессы протекают в основном на молекулярном уровне и не зависят от того, находится ли СИ в эксплуатации или хранится на консервации. Следовательно, основным фактором, определяющим старение СИ, является календарное время, прошедшее с момента их изготовления, то есть возраст. Скорость старения зависит, прежде всего, от используемых материалов и технологий. Исследования показали, что необратимые процессы, изменяющие погрешность, протекают очень медленно и зафиксировать эти изменения в ходе эксперимента в большинстве случаев невозможно. В связи с этим большое значение приобретают различные математические методы, на основе которых строятся модели изменения погрешностей и производится прогнозирование метрологических отказов.

 

Задача, решаемая при определении метрологической надежности СИ, состоит в нахождении начальных изменений МХ и построении математической модели, экстраполирующей полученные результаты на большой интервал времени. Поскольку изменение МХ во времени – случайный процесс, то основным инструментом построения математических моделей является теория случайных процессов. Изменение погрешности СИ во времени представляет собой случайный нестационарный процесс.

 

Одним из вариантов моделирования изменения погрешности СИ, начиная с первых секунд его эксплуатации, является спектральное представление погрешности. Оно позволяет подробно описать многие особенности изменения погрешности прибора. Главный недостаток такой модели состоит в очень большом объеме экспериментальных данных, необходимых для построения спектральных кривых.

 

МЕТРОЛОГИЧЕСКАЯ НАДЕЖНОСТЬ И МЕЖПОВЕРОЧНЫЕ ИНТЕРВАЛЫ.

 

Одной из основных форм поддержания СИ в метрологически исправном состоянии является его периодическая поверка. Она проводится метрологическими службами согласно правилам, изложенным в специальной нормативно-технической документации.

 

ЧТО ПРЕДСТАВЛЯЕТ СОБОЙ ПОВЕРКА СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ?

ПОВЕРКА СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ - совокупность операций, выполняемых в целях подтверждения соответствия средств измерений метрологическим требованиям.

 

ЧТО ПРЕДСТАВЛЯЕТ СОБОЙ КАЛИБРОВКА СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ?

КАЛИБРОВКА СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ - совокупность операций, выполняемых в целях определения действительных значений метрологических характеристик средств измерений.

 

Периодичность поверки должна быть согласована с требованиями к надежности СИ.

 

В статье 13 «Поверка средств измерений» «Требования к средствам измерений» Федерального закона «Об обеспечении единства измерений» от 26.06.2008 № 102-ФЗ (последняя редакция: в редакции Федерального закона от 13.07.2015 № 233-ФЗ) установлены следующие правовые  основы поверки средств измерений.

 

«1. Средства измерений, предназначенные для применения в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений, до ввода в эксплуатацию, а также после ремонта подлежат первичной поверке, а в процессе эксплуатации - периодической поверке. Применяющие средства измерений в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений юридические лица и индивидуальные предприниматели обязаны своевременно представлять эти средства измерений на поверку.

 

2. Поверку средств измерений осуществляют аккредитованные в соответствии с законодательством Российской Федерации об аккредитации в национальной системе аккредитации на проведение поверки средств измерений юридические лица и индивидуальные предприниматели.

(в ред. Федеральных законов от 23.06.2014 № 160-ФЗ, от 21.07.2014 № 254-ФЗ)

 

3. Правительством Российской Федерации устанавливается перечень средств измерений, поверка которых осуществляется только аккредитованными в соответствии с законодательством Российской Федерации об аккредитации в национальной системе аккредитации государственными региональными центрами метрологии.

(в ред. Федерального закона от 23.06.2014 № 160-ФЗ)

 

4. Результаты поверки средств измерений удостоверяются знаком поверки, и (или) свидетельством о поверке, и (или) записью в паспорте (формуляре) средства измерений, заверяемой подписью поверителя и знаком поверки. Конструкция средства измерений должна обеспечивать возможность нанесения знака поверки в месте, доступном для просмотра. Если особенности конструкции или условия эксплуатации средства измерений не позволяют нанести знак поверки непосредственно на средство измерений, он наносится на свидетельство о поверке или в паспорт (формуляр).

(в ред. Федерального закона от 21.07.2014 № 254-ФЗ)

 

5. Порядок проведения поверки средств измерений, требования к знаку поверки и содержанию свидетельства о поверке устанавливаются федеральным органом исполнительной власти, осуществляющим функции по выработке государственной политики и нормативно-правовому регулированию в области обеспечения единства измерений.

 

6. Сведения о результатах поверки средств измерений, предназначенных для применения в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений, передаются в Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений проводящими поверку средств измерений юридическими лицами и индивидуальными предпринимателями.

 

7. Средства измерений, не предназначенные для применения в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений, могут подвергаться поверке в добровольном порядке.»

ЧТО ТАКОЕ МЕЖПОВЕРОЧНЫЕ ИНТЕРВАЛЫ?

 

Поверку необходимо проводить через оптимально выбранные интервалы времени, называемые межповерочными интервалами (МПИ).

 

Момент наступления метрологического отказа может выявить только поверка СИ, результаты которой позволят утверждать, что отказ произошел в период времени между двумя последними поверками. Величина МПИ должна быть оптимальной, поскольку частые поверки приводят к материальным и трудовым затратам на их организацию и проведение, а редкие – могут привести к повышению погрешности измерений из-за метрологических отказов.

 

Межповерочные интервалы устанавливаются в календарном времени для СИ, изменение метрологических характеристик которых обусловлено старением и не зависит от интенсивности эксплуатации. Значения МПИ рекомендуется выбирать из следующего ряда: 0,25; 0,5; 1; 2; 3; 4; 5; 6; 9; 12; 6К месяцев, где К – целое положительное число. Для СИ, у которых изменение МХ является следствием износа его элементов, зависящего от интенсивности эксплуатации, МПИ назначаются в значениях наработки.

 

При нахождении МПИ выбирается МХ, определяющая состояние метрологической исправности средства измерений. В качестве таких характеристик, как правило, используются основная погрешность, СКО случайной составляющей погрешности и др. Если состояние метрологической исправности определяют несколько МХ, то из них выбирается та, по которой обеспечивается наибольший процент брака при поверках.

 

В настоящее время существуют три основных пути определения продолжительности МПИ:

 

НА ОСНОВЕ СТАТИСТИКИ ОТКАЗОВ;

 

НА ОСНОВЕ ЭКОНОМИЧЕСКОГО КРИТЕРИЯ;

 

ПРОИЗВОЛЬНОЕ НАЗНАЧЕНИЕ ПЕРВОНАЧАЛЬНОГО МПИ с последующей корректировкой в течение всего срока службы СИ.

 

Выбор конкретного метода определения продолжительности МПИ зависит от наличия исходной информации о надежности и стабильности СИ.

1. Первый способ является эффективным при условии, что известны показатели метрологической надежности. Наиболее полная информация такого рода содержится в моделях, описывающих изменение во времени МХ средств измерений. При известных параметрах моделей МПИ определяется моментом выхода погрешности за нормируемый для данного СИ допуск. Однако большой разброс параметров и характеристик процессов старения СИ приводит при расчете МПИ с помощью таких моделей к большой погрешности. Основанные на статистике скрытых и явных отказов, они требует наличия большого количества экспериментальных данных по процессам изменения во времени МХ средств измерений различных типов. Такого рода исследования весьма трудоемки и занимают значительное время. Этим объясняется тот факт, что опубликованных статистических данных о процессах старения приборов различных типов крайне мало. В технических описаниях СИ, как правило, приводится средняя наработка до отказа, средний или гамма-процентный ресурс и срок службы. Этого явно недостаточно для расчета МПИ.

 

2. Определение межповерочного интервала по экономическому критерию состоит в решении задачи по выбору такого интервала, при котором можно минимизировать расходы на эксплуатацию СИ и устранять последствия от возможных ошибок, вызванных погрешностями измерения. Исходной информацией для определения МПИ служат данные о стоимости поверки и ремонта СИ, а также об ущербе от изъятия его из эксплуатации и от использования метрологически неисправного прибора. Основная сложность применения этого метода состоит в следующем. Затраты на ремонт и поверку СИ достаточно легко определяются по нормативным документам. В отличие от них потери из-за использования приборов со скрытым метрологическим отказом на практике к правило, неизвестны. Приходится прибегать к приближенным моделям, описывающим затраты на эксплуатацию СИ со скрытыми метрологическими отказами в виде функции потерь того или иного вида. Один из вариантов определения МПИ по экономическому критерию приведен в рекомендации МИ 2187–92 «ГСИ. Методы определения межповерочных и межкалибровочных интервалов средств измерений».

 

3. Наиболее универсальным является метод, состоящий в произвольном назначении МПИ с последующей корректировкой его величины. В этом случае при минимальной исходной информации назначается первоначальный интервал, а результаты последующих поверок являются исходными данными для его корректировки. Основной трудностью указанного метода является назначение первого МПИ.

 

Преодолеть ее можно тремя путями. Во-первых, для определения протяженности первого МПИ могут быть использованы показатели метрологической надежности проверяемого СИ. Во-вторых, длительность первого интервала может быть оценена исходя из анализа данных по эксплуатации аналогичных поверяемому по конструкции и технологии производства СИ. В-третьих, первый МПИ выбирается в соответствии с рекомендациями нормативных документов государственных и ведомственных метрологических служб. Последующие значения МПИ определяются путем корректировки первого интервала с учетом результатов проведенных поверок большого числа однотипных СИ.

 

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.

 

[1] Герасимова Е.Б., Герасимов Б.И. Метрология, стандартизация и сертификация: Учебное пособие – 2-е изд.-  М.: ФОРУМ: НИЦ ИНФРА-М, 2015. – 224 с.

 

[2] Кошевая И. П., Канке А. А. Метрология, стандартизация, сертификация: Учебник — М.: ИД «ФОРУМ»: ИНФРА-М, 2013. - 416 с.

[3] Крылова Г.Д. Основы стандартизации, сертификации, метрологии: Учебник для вузов.  – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2015. – 671 с.

 

[4] Лифиц И. М. Стандартизация, метрология и подтверждение соответствия: Учебник для бакалавров. — М.: Юрайт: ИД «ЮРАЙТ», 2013. — 411 с.

 

[5] Сергеев А. Г., Терегеря В.В. Метрология, стандартизация и сертификация: Учебник для бакалавров.  — М.: Юрайт: ИД Юрайт, 2013. — 838 с.