Методик измерений, испытаний и контроля

Разработка и метрологическая аттестация

Методика выполнения измерений (МВИ) – это совокупность метода, технических средств и правил подготовки и проведения измерений, обработки и представления результатов (сокращенно – правила измерений).

Правила измерений – это комплекс требований к содержанию, последовательности и условиям выполнения всех операций (действий), обеспечивающих полное решение данной измерительной задачи, т.е. получение информации об измеряемой величине определенным методом с помощью определенных технических средств и представление этой информации в удобной для дальнейшего использования форме.

К техническим средствам, являющимся вторым элементом МВИ, относятся как собственно средства измерений, так и вспомогательные устройства, необходимые для подготовки и выполнения измерений, обеспечения определенных условий и режимов измерений (например, термостатирующие и экранирующие устройства, каналы связи, виброгасители, средства автоматизированной обработки и т.п.).

Третий элемент МВИ – метод измерений. Это понятие часто путают то с (более частным) физическим принципом измерений, то с (более общим) методикой выполнения измерений.

Принцип измерений – это, по существу, физическое явление, реализация которого в процессе измерений позволяет сформировать определенный информативный параметр, значения которого связаны со значениями измеряемой величины (при прямых измерениях – это информативный параметр самой измеряемой величины), и зафиксировать его чувствительным элементом применяемого средства измерений. Например, измерение температуры с помощью ртутного термометра основано на явлении термического расширения столбика ртути под воздействие измеряемой температуры. Следовательно, явление термического расширения ртути и является в данном случае физическим принципом измерения температуры. Совокупность приемов использования принципов и средств измерений называется методом измерений.

Для прямых измерений, где физический принцип, как правило, однозначно определяется принципом действия измерительного прибора, совокупность методических приемов (описание метода) носит метрологический характер. Такие общие метрологические приемы, называемые методами прямых измерений (например, метод непосредственной оценки, нулевой метод, дифференциальные или разностные методы), позволяют в ряде случаев исключить (или компенсировать) наиболее существенные систематические погрешности измерений.

Методы косвенных измерений, как правило, отражают в своем названии физический принцип, на котором они основаны, и содержат (в нормативно-описательном плане) большой комплекс технических приемов его использования. Например, метод измерения расхода жидкостей по переменному перепаду давлений характеризуется большим комплексом технических приемов (простое описание их в расходоизмерительной литературе занимает не один десяток страниц) создания в потоке жидкости перепада давлений, пропорционального средней скорости потока, использования рабочей формулы измерений (выбора стандартизованных значений коэффициентов расхода сужающих устройств и различных поправочных множителей), измерений входящих в эту формулу величин (перепада давлений, плотности, относительной площади сужающего устройства и др.). И, несмотря на столь большой набор основополагающих принципов и пра-вил, это еще не методика измерений расхода методом переменного пере-пада давлений. Последняя, кроме отмеченного, должна включать в себя требования к монтажу, эксплуатации и контролю сужающих устройств конкретных (используемых в МВИ) типов, к условиям выполнения изме-рений, к оценке погрешности измерений в данных условиях.

Разработка и аттестация МВИ – это, по существу, единственный путь гарантированного обеспечения требуемой точности массовых технических измерений, выполняемых при производстве, испытаниях и контроле качества продукции. Это обусловливается ниже описанными причинами.

Основной особенностью современного развития техники измерений является все большее внедрение в измерительную практику косвенных методов измерений, основанных на вновь открытых физических явлениях и закономерностях (атомно-молекулярные явления, фазовые переходы, ультразвук, лазеры и др.) и позволяющих обеспечить высокую разрешающую способность и точность, большие диапазоны измерений там, где прямые методы не позволяют этого сделать.

При этом определяющим точность выполняемых измерений фактором становятся методические погрешности, обусловленные неполнотой рабочих уравнений, описывающих зависимости косвенно измеряемых величин от количественных характеристик физических явлений и процессов (положенных в основу методов измерений), непостоянством теоретических или эмпирических коэффициентов этих уравнений при изменении свойств измеряемых объектов, режимов и условий измерений, что усугубляется постоянным ужесточением режимов и условий измерений (высокие и низкие температуры, электрические и магнитные поля, вибрация и др.) в производстве и невозможностью их воспроизведения при градуировке и поверке используемых средств измерений.

Кроме того, при использовании для косвенных измерений сложных многоблочных систем и комплексов все большее влияние на формирование общей погрешности измерений оказывают характеристики вспомогательных устройств (линий связи, систем подготовки измерений и др.).

В таких условиях вклад погрешностей собственно измерительных устройств в суммарную погрешность измерений становится меньше. Например, для такого распространенного вида измерений, как измерение массы движущихся объектов, погрешность применяемых средств измерений составляет лишь 5-6 % от суммарной погрешности результата взвешивания. Остальную часть составляют методические погрешности, погрешности, вносимые работой вспомогательных устройств, обусловленные динамикой процесса измерений. Причем данные методические погрешности (как и любые методические погрешности) не могут быть выявлены и оценены в процессе выполнения измерений, обработки из результатов.

Разработка МВИ включает в себя следующие основные этапы:

1) выбор (или разработка, если таковые отсутствуют) метода и средств измерений;

2) разработка измерительной схемы, устанавливающей функциональные взаимосвязи между объектом измерений, средствами измерений и вспомогательными техническими устройствами, необходимыми для осуществления процесса измерений, обеспечения условий и режимов измерений;

3) разработка процедуры измерений – комплекса требований к содержанию, последовательности и условиям выполнения операций, необходимых для получения конечного результата, являющегося целью решения измерительной задачи (данные требования должны охватывать все аспекты измерительного процесса, в том числе, его безопасность и связь с операторами, выполняющими измерения);

4) разработка проектов нормативных документов, регламентирующих МВИ.

МВИ могут быть оформлены в виде следующих нормативно-техни-ческих документов:

– стандарт (ГОСТ, СТО) типовой МВИ;

– аттестат МВИ;

– разделов стандартов ТУ, технологических процессов, методов испытаний и контроля продукции.

Разработка МВИ проводится на основе анализа технической документации на методы и средства измерений, анализа предполагаемых условий измерений, предварительного выявления возможных источников и причин инструментальных (обусловленных свойствами средств измерений, их стабильностью, чувствительностью к внешним воздействиям, влиянием на объект измерений и т.п.) и методических погрешностей, оценки «их вкладов» в суммарную погрешность измерений. Иногда, при расчетных методах аттестации МВИ процесс разработки включает и процесс ее расчетной аттестации.

Метрологическая аттестация МВИ – это исследования, направленные на оценку максимально возможных погрешностей измерений, которые могут и будут выполняться по данной МВИ (методом, средствами и по правилам, регламентированным нормативным документом на МВИ).

Цель аттестации – установление соответствия оцененных при аттестации МВИ значений погрешностей заданным на них нормам. Иногда в измерительной практике может иметь место и такая «задача максимум» метрологической аттестации МВИ, как определение таких режимов, условий и процедуры выполнения измерений, при которых погрешности измерений минимальны.

В зависимости от сложности решаемых измерительных задач, сложности используемых методов измерений находят применение три различных способа аттестации МВИ – расчетный, расчетно-экспериментальный и экспериментальный.

Расчетный способ аттестации МВИ применим для простейших (как правило, прямых) измерений, характеристики погрешности которых практически целиком определяются нормированными в технической документации на применяемые средства измерений (ТУ, паспорт, инструкция по эксплуатации) значениями его метрологических характеристик. В данном случае погрешность измерений целиком определяется инструментальной составляющей (методические составляющие отсутствуют или пренебрежительно малы), и нормированных в технической документации на применяемое средство измерений метрологических характеристик достаточно для достоверных оценок этой (инструментальной) составляющей.

Типичными составляющими инструментальной погрешности измерений являются: основная, дополнительные и динамическая погрешности средства измерений, а также погрешность, обусловленная его взаимодействием с объектом измерений. Следовательно, расчетная аттестация МВИ сводится к определению (по четырем составляющим) максимально возможного для заданных условий измерений интервала, в котором с заданной вероятностью лежат практически реализующиеся значения погрешности измерений.

Методология расчетной аттестации МВИ в достаточной мере сложна и провести ее могут хорошо подготовленные, квалифицированные специалисты-метрологи, владеющие современным метрологическим аппаратом, аппаратом теории вероятностей и математической статистики.

В тех случаях, когда нормированных в технической документации на средства измерений метрологических характеристик недостаточно для достоверных оценок реальной точности измерений, выполняемых по аттестуемой МВИ (например, велик уровень методических погрешностей или в технической документации не хватает данных для оценки каких-либо составляющих инструментальной погрешности), а экспериментальную проверку точности измерений осуществить технически невозможно (или нецелесообразно), используют расчетно-экспериментальный способ аттестации МВИ.

В основе этого способа лежит поэлементный анализ возможных причин, источников и факторов, обусловливающих погрешности измерений. При этом основная трудность заключается не столько в оценке составляющих погрешностей, сколько в физически и метрологически обоснованном выявлении всех факторов, значимо влияющих на погрешность измерений. Полнота выявления этих факторов определяет достоверность результатов аттестации МВИ.

Для нахождения суммарных оценок характеристик погрешности измерений, выполняемых по аттестуемой таким способом МВИ, т.е. для статистического суммирования частных погрешностей (оцененных экспериментально или расчетом) необходимо в процессе аттестации группировать их по статистическим свойствам на систематические и случайные. Как показывает практика, это сложная задача. Поэтому можно рекомендовать проводить деление погрешностей на систематические и случайные по такому формальному признаку, как возможность их частичной компенсации усреднением результатов многократных измерений, выполняемых за достаточно малый (допускаемый по условиям измерений) промежуток времени. Если такая компенсация возможна, то погрешность относится к случайной, если нет – к систематической.

Суть экспериментального способа аттестации МВИ заключается в прямом непосредственном сравнении результатов измерений, выполняемых (одновременно и в тех же условиях) при помощи более точных (образцовых) методов и средств. Там, где такие методы и средства имеются, где целесообразно и технически возможно их применить, наилучшим является экспериментальный способ аттестации МВИ.

По результатам аттестации оформляется научно-технический отчет и аттестат МВИ, в котором указываются:

– назначение и область применения МВИ;

– типы и номера экземпляров средств измерений и технические характеристики вспомогательных устройств;

– описание метода измерений;

– алгоритм операций подготовки и выполнения измерений;

– числовые значения характеристик погрешности измерений;

– межповерочные интервалы и НТД, по которым следует проводить поверку средств измерений (или контроль точности измерений);

– требования к квалификации операторов.

Существенное отличие между расчетным, расчетно-эксперимен-тальным и экспериментальным способами аттестации МВИ заключается в следующем – расчетная аттестация проводится на основе анализа НТД, расчетно-экспериментальная и экспериментальная – проводятся на конкретных реализациях измерительной схемы (реально воплощенной в соответствии с требованиями МВИ, на конкретных экземплярах используемых приборов) в реальных производственных (или имитирующих их) условиях.

Вопросы разработки и аттестации МВИ имеют чрезвычайно важное значение для метрологической практики. Именно здесь, в процессе этих работ, осуществляется практическая связь метрологии с решением конкретных научно-технических, производственных и социальных задач.

Дата добавления: 2015-07-02