Тема 2. Виды, методы и области технических измерений
Структура и рекомендации по изучению дисциплины
«Метрология, стандартизация и сертификация»
Темы лекций (32 час):
Раздел 1. Метрология
- Основы метрологии
- Виды, методы и области технических измерений
- Погрешности технических измерений
- Технические средства измерений
- Основы единства измерений
- Метрологический контроль и надзор
Раздел 2. Техническое регулирование и стандартизация
- Основы технического регулирования и стандартизации
- Унификация, взаимозаменяемость и агрегатирование
- Организация системы органов и служб стандартизации
Раздел 3. Сертификация
- Основы сертификации
- Системы и схемы сертификации
- Структура процессов сертификации
Аттестация студентовв балльно-рейтинговой системе / всего 100 бал/:
· Письменные контрольные работы по темам лекций: (1-2), (3-4), (5-6), (7-8), (9-10), (11-12) /6 контр х 10 бал (макс) = 60 бал/;
· Итоговое тестирование по всем темам лекций /20 тестов х 2 бал (макс) = 40 бал/.
Примечание: 1) каждая контрольная работа предусматривает выполнение одного комплексного задания, состоящих из нескольких вопросов различных уровней сложности и оценки в баллах;
2) тестирование предусматривает выбор 1 или 2 ответов на поставленный вопрос из 4 представленных вариантов;
3) к итоговому тестированию допускаются студенты, набравшие не менее 30 баллов из 60 возможных.
Для экзаменационной оценки «удовлетворительно», «хорошо» и «отлично»необходимо набрать в сумме не менее 50, 65 и 80 баллов соответственно.
Студент, не набравший установленную для сдачи экзамена минимальную сумму баллов, получает «неудовлетворительно» и тестируется повторно.
Рекомендации по изучению дисциплины:
- своевременно получить от старосты и принести на занятия конспект лекций;
- при подготовке к лекциям предварительно прочитать 2 темы и ознакомиться с контрольными вопросами.
Литература:
- Крылова Г.Д. Основы стандартизации, сертификации, метрологии. М.: Аудит, ЮНИТИ,1998
- Теория и техника теплофизического эксперимента. Ю.А.Гортышев и др. М.: Энергоатомиздат, 1993
- Шевцов Е.К., Ревун М.П. Электрические измерения в машиностроении. М.Машиностроение, 1989
- Фарзане Н.Г. Технологические измерения и приборы. М. Высшая школа, 1989
- Стандартизация и сертификация в машиностроении. Т. 1-5, Г.П. Воронин, Ж.Н. Буденная, И.А. Коровкин и др. Под общ. ред. Г.П. Воронина. М. Машиностроение. 2002
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
МАТИ» - РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени К.Э.ЦИОЛКОВСКОГО
Кафедра «Технология сварочного производства»
Конспект лекций
по дисциплине «Метрология, стандартизация и сертификация»
Автор: проф., к.т.н. Федоров С.А.
МОСКВА 2012
Раздел 1. Метрология
Тема 1. Основы метрологии
Метрология (греч. metron – мера, logos – знание об объектах) – это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.
Измерение – это совокупность действий, выполняемых с помощью технических средств измерений с целью определения числового значения контролируемой физической величины в принятых единицах измерения.
Метрология включает три составляющие:
1) теоретическая метрология. Рассматривает вопросы теории измерений и оценки погрешностей;
2) практическая метрология. Рассматривает практику обеспечения гарантированной точности измерений и средств измерений;
3) законодательная метрология. Рассматривает правила и нормы, нуждающиеся в регламентации и контроле со стороны государства и направленные на обеспечение единства измерений и единообразия средств измерения. Юридической основой метрологии является Закон РФ «Об обеспечении единства измерений».
Физическая величина – одно из свойств (характеристик) физического объекта (например, сварного соединения) или процесса (например, сварки), которое является общим для группы однородных объектов или процессов и отличается числовым значением. Физической величине, которой присвоено числовое значение равное 1, называют единицей физической величины. Единицам физических величин присваивают полное или сокращенное символическое обозначение - размерность. Размерность единицы физической величины является мерой для количественного сравнения одинаковых свойств или характеристик объектов или процессов. При выполнении измерений следует выполнять правила написания обозначения единиц. На практике кроме термина «физическая величина» применяют термин параметр, который эквивалентен.
В метрологии используют два понятия значения физической величины.
Истинное значение – это значение физической величины (параметра), которое идеальным образом отражает соответствующее свойство объекта или процесса. В результате измерения мы получаем фактическое значение физической величины, отличающееся в реальных условиях проведения измерений от истинного значения. Разность между фактическим и истинным значением измеряемой величины называется погрешностью.
Основные постулаты метрологии сводятся к следующему:
1) истинное значение измеряемой величины существует и является постоянным;
2) истинное значение измеряемой величины определить невозможно, также как и погрешностью (ошибку). Поэтому на практике имеют дело с понятием оценки погрешности, которая определяется с некоторой вероятностью (достоверностью) измерения, например вероятностью 95 %.
Физические величины разделяют на:
- основные;
- производные.
Основные физические величины не зависят друг от друга. Они являются основой для установления связей с другими зависимыми (производными) физическими величинами. Совокупность основных и производных единиц называется системой единиц физических величин.
В хронологическом порядке можно привести следующие системы единиц физических величин:
а) метрическая. За основу единицы длины был принят метр, а за единицу веса – грамм.
б) СГС. Основные единицы системы: сантиметр, грамм, секунда.
в) МКСА. Основные единицы системы: метр, килограмм, секунда, ампер.
г) СИ. Основные единицы системы: метр (м), килограмм (кг), секунда (с), ампер (А), градус Кельвина (К), кандела (кд), моль (М).
Производные единицы (например, м2 или м/с) образуются из основных. В России единицы физических величин приведены в ГОСТе 8.417-2002 «Государственная система обеспечения единства измерений (ГСОЕИ). Единицы физических величин».
Разработаны методы определения основных физических единиц, которые усложняются по мере развития науки. В системе СИ для выражения больших и малых значений физических величин приняты кратные и дольные значения. Кратные значения получают при умножении исходных единиц на число 10 в соответствующей положительной степени (например, км), а дольные – умножением на число 10 в соответствующей отрицательной степени (например, дм). Допускаются к применению внесистемные физические единицы(час).
Шкала измерений – это упорядоченная совокупность значений физической величины. Известно несколько разновидностей шкал:
1) шкала интервала (разностей). Она имеет условные нулевые значения и интервалы (например, шкала температур);
2) шкала порядка. Она характеризует значение измеряемой величины в баллах (например, шкала размера зерна в металлах и сплавах);
3) шкала наименований. Она не содержит ни нуля, ни единиц измерений и является качественной шкалой (например, шкала цветов).
В процессе измерения участвуют следующие элементы:
а) объект измерения (свойства и характеристики изделий, материалов и процессов);
б) физические единицы измерения;
в) техническое средство измерения;
г) оператор;
д) внешние условия проведения измерений.
Под нормальными внешними условиямипроведения измерений считаются: температура воздуха - 20°С; атмосферное давление - 101,3 кПа (760 мм.рт.ст.); относительная влажность воздуха - 58%.
Тема 2. Виды, методы и области технических измерений
Вид – это группа измерений, классифицированных по нескольким признакам:
1. в зависимости от назначения и предъявляемых требований к точности:
а) лабораторные измерения. Они отличаются повышенной точностью и используются при разработке методики измерений;
б) технические измерения. Выполняются на практике при контроле изделий и процессов с использованием рабочих средств измерения.
2) по способу получения числового значения измеряемой величины:
а) прямые измерения. В этом случае значение физической величины отсчитывают непосредственно по шкале измерительного прибора, проградуированного в соответствующих физических единицах;
б) косвенные измерения. В этом случае значение физической величины рассчитывают на основании известной функциональной зависимости между этой величиной и другими величинами, определяемыми прямым измерением;
в) совокупные измерения. Это одновременные измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения находят путем решения системы уравнений, получаемых в результате прямых измерений различных сочетаний этих величин;
г) совместные измерения. Это измерения одновременно нескольких разноименных физических величин для определения зависимостей между ними.
3) по особенностям и характеру измерений:
а) абсолютные измерения. Они основаны на прямых измерениях физических величин;
б) относительные измерения. Они основаны на сравнении и установлении зависимости измеряемой величины от другой одноименной величиной, известной и принятой в качестве исходной.
4) по количеству измерительной информации:
а) измерения с однократными наблюдениями;
б) измерения с многократными наблюдениями.
Наблюдение – это однократное измерение, в результате которого получают отдельные числовые значения физической величины.
Измерения с однократными наблюдениями проводятся там, где нельзя повторить измерения. Многократные измерения проводятся в тех случаях, когда необходимо определить погрешность измерения одной и той же физической величины.
Метод измерения – это совокупность приемов использования средств и принципов измерения. Под приемом понимают законченное действие оператора по выполнению измерений. Принцип измерения – это совокупность физических явлений, на которых основано измерение.
Методы измерений разделяются на:
1) метод непосредственной оценки. Измеряемую величину определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного средства, состоящего из измерительной шкалы и указателя - стрелки;
2) метод противопоставления. В этом случае на прибор сравнения одновременно воздействуют измеряемая величина и известная величина воспроизводимой мерой;
3) дифференциальный метод. Основан на измерении разности между измеряемой величиной и известной величиной воспроизводимой мерой с помощью средства измерения;
4) нулевой метод. Основан на подборе известной величины (меры) таким образом, чтобы разность между измеряемой величиной и величиной воспроизводимой мерой была бы равна нулю;
5) метод совпадений. Основан на использовании совпадения штрихов или шкал измеряемой величины и известной величины воспроизводимой мерой;
6) метод замещения. Основан на том, что уровень сигнала однозначно связанного со значением измеряемой величины сопоставляют с уровнем сигнала, соответствующего известной величине (мере).
Методы измерения различаются точностью (характеристика качества измерения, отражающая близость к нулю погрешности результата измерения) и длительностью (характеристика затрат времени на выполнение измерений).
Для определения погрешности(ошибки) метода измерения используют два метода:
1) метод, основанный на определении среднего квадратического отклонения (СКО) отдельных результатов наблюдений:
,
где n – число отдельных наблюдений,
или относительного среднего квадратического отклонения отдельных результатов наблюдений:
,
где 
- среднее арифметическое.
Метод характеризуется длительностью процесса измерения.
2) Метод, основанный на использовании значений метрологических характеристик средств измерения, например, допускаемой абсолютной погрешности средства измерения, установленной заводом-изготовителем 
и указанной в паспорте:
.
Так как этот метод прост, он используется чаще.
Под областью технических измерений понимают совокупность измерений параметров, свойственных определенной области науки и техники, имеющих свою специфику и отличающиеся однородностью измеряемых физических величин. В сварочном производстве различают следующие области и объекты измерений:
1) измерения геометрических параметров(длина, углы). Объектами измерений геометрических параметров являются свариваемые образцы (геометрические параметры и форма разделки свариваемых кромок) и сварные соединения (геометрические параметры и форма сварного шва).
2) измерения механических параметров (масса, сила, деформации, напряжения, твердость, давление, вакуум). Объектами измерений механических параметров являются сварные соединения (механические характеристики, определяемые при испытании) и технологические процессы (параметры режима).
3) измерения электрических параметров(сила тока, напряжение, электрическое сопротивление, мощность). Объектами измерений электрических параметров являются технологические процессы (параметры режима) и технологическое оборудование (технические характеристики технологической оснастки, источников питания и сварочных установок).
4) измерения температурных параметров(теплофизические параметры, температура). Объектами температурных измерений являются свариваемые материалы (теплофизические параметры) и технологические процессы (параметры режима).
5) измерения параметров расхода газа. Объектами измерений являются технологические процессы (например, сварки).
Физические величины объектов и технологических процессов определяют по результатам прямых и косвенных измерений с использованием технических средств измерений.
Контрольные вопросы Темы 1 – 2
1. Что такое метрология? Что такое измерение? Приведите и объясните три составляющих метрологии
2. Что такое физическая величина? Что такое размерность единицы физической величины? Для чего используется размерность? Что используется на практике вместо термина физическая величина? Приведите и объясните два понятия значения физической величины Что такое погрешность измерений?
3. Приведите постулаты метрологии. Как разделяют физические величины? Что такое система единиц физических величин? Приведите системы единиц физических величин, действовавших до системы СИ
4. Приведите основные единицы физических величин в системе СИ и их размерности. Что такое производные единицы? Приведите примеры производных единиц. Что такое кратные и дольные значения единиц физических величин? Приведите их примеры. Что такое внесистемные физические единицы? Приведите их примеры
5. Что такое шкала измерения? Приведите и объясните основные разновидности шкал измерений. Приведите основные элементы, участвующие в измерении. Какие условия считают нормальными условиями проведения измерений?
6. Что такое вид измерений? Что такое лабораторные и технические измерения? Что такое прямые и косвенные измерения? Приведите их примеры
7. Что такое совокупные и совместные измерения? Приведите их примеры. Что такое абсолютные и относительные измерения? Приведите их примеры
8. Как разделяют виды измерений по количеству измерительной информации? Что такое наблюдение? В каких случаях проводят измерения с однократными и многократными наблюдениями? Что такое метод, прием и принцип измерения?
9. Объясните принцип и приведите примеры (рисунки) метода измерения путем непосредственной оценки, метода противопоставления и дифференциального метода
10. Объясните принцип и приведите примеры (рисунки) нулевого метода измерения, метода измерения совпадением и замещением. Объясните, чем различаются методы измерений?
11. Приведите и объясните методы определения ошибки метода измерения с необходимыми формулами
12. Что понимают под областью технических измерений? Приведите примеры измерения (рисунки) геометрических параметров
13. Приведите примеры измерения (рисунки) механических и электрических параметров
14. Приведите примеры измерения (рисунки) температурных параметров и параметров расхода газа