Методы и средства измерений, испытаний и контроля для обеспечения качества процессов и систем

3.1. Понятия измерений, контроля и испытаний

Метод – определенный способ, порядок или план исследования явлений объективной действительности; совокупность и система приемов исследования.

Метод измерения — это прием или совокупность приемов сравнения измеряемой ФВ с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерения.

Средство измерений – техническое средство, предназначенное для измерений и позволяющее решать измерительную задачу путем сравнения измеряемой величины с единицей или шкалой ФВ и имеющее нормированные метрологические свойства.

Измерение— это нахождение значения физической вели­чины (ФВ) опытным путем с помощью специальных технических средств.

Испытания – экспериментальное определение количественных и (или) качественных характеристик свойств объекта испытаний как результата воздействия на него, при его функционировании, при моделировании объекта и (или) воздействий.

Контроль– процесс определения соответствия значения параметра изделия установленным требованиям или нормам.

В любую разновидность испытаний и контроля входят, в качестве составной части, технические экспериментальные операции, основанные на измерениях, целью которых является информация о параметрах отдельных экземпляров (проб) продукции.

Понятие измерения. Без измерений не может обойтись ни одна наука, поэтому метрология как наука об измерениях находится в тесной связи со всеми другими науками.

Основное понятие метрологии — измерение. Согласно ГОСТ 16263 измерение — это нахождение значения физической вели­чины (ФВ) опытным путем с помощью специальных технических средств.

Значимость измерений выражается в трех аспектах: фило­софском, научном и техническом [3-1].

Философский аспект состоит в том, что измерения являются важнейшим универсальным методом познания физических явле­ний и процессов. В этом смысле метрология как наука об измере­ниях занимает особое место среди остальных наук. Возможность измерения обуславливается предварительным изучением заданно­го свойства объекта измерений, построением абстрактных моделей как самого свойства, так и его носителя — объекта измерения в целом. Поэтому место измерения определяется не среди первичных (теоретических или эмпирических) методов познания, а среди вто­ричных (квантитативных), обеспечивающих достоверность измере­ния. С помощью вторичных познавательных процедур решаются задачи формирования данных (фиксации результатов познания). Измерение с этой точки зрения представляет собой метод кодирова­ния сведений, получаемых с помощью различных методов позна­ния, т.е. заключительную стадию процесса познания, связанную с регистрацией получаемой информации.

Научный аспект измерений состоит в том, что с их помощью в науке осуществляется связь теории и практики. Без измерений невоз­можна проверка научных гипотез и соответственно развитие науки.

Технический аспект измерений состоит в том, что измерения обеспечивают получение количественной информации об объекте управления или контроля, без которой невозможно точ­ное воспроизведение всех заданных условий технического процесса, обеспечение высокого качества изделий, и эффективного управления объектом.

Физические величины и их свойства. Все объекты окружающего мира характеризуются присущими им свойствами. Свойство – философская категория, выражающая такую сторону объекта (явления, процесса), которая обуславливает его различие или общность с другими объектами (явлениями, процессами) и обнаруживается в его отношениях к ним. Для количественного описания различных свойств процессов и физических тел вводится понятие величины. Величина – это свойство чего-либо, которое может быть выделено среди других свойств и оценено тем или иным способом, в том числе и количественно. Величина не существует сама по себе, она выражает свойства объекта.

Физические величины
Измеряемые	Оцениваемые
количественно - в виде определенного числа установленных единиц измерения	приписываются определенные числа по установленным правилам

Измерение – познавательный процесс, заключающийся в сравнении путем физического эксперимента данной физической величиной (ФВ) с известной ФВ, принятой за единицу измерения. Измерение ФВ выполняют опытным путем с помощью технических средств. В результате измерения получают значение физической величины

Q = q*U,

где q — числовое значение физической величины в принятых еди­ницах; U — единица физической величины.

Значение физической величины Q, найденное при измерении, на­зывают действительным. В ряде случаев нет необходимости опреде­лять действительное значение физической величины, например при оценке соответствия физической величины установленному допуску. При этом достаточно определить принадлежность физической вели­чины некоторой области Т:

Q Т или Q Т.

Следовательно, при контроле определяют соответствие действительного значения физической величины установленным значениям. Примером контрольных средств являются калибры, шаблоны, уст­ройства с электроконтактными преобразователями.

Метрология — наука об измерениях физических вели­чин, методах и средствах обеспечения их единства и способах дости­жения требуемой точности.

Основные задачи метрологии, (ГОСТ 16263—70) — установление единиц физических величин, государственных эталонов и образцовых средств измерений, разработка теории, методов и средств измерений и контроля, обеспечение единства измерений и единообразных средств измерений, разработка методов оценки погрешностей, со­стояния средств измерения и контроля, а также передачи размеров единиц от эталонов или образцовых средств измерений рабочим сред­ствам измерений.

Нормативно-правовой основой метрологического обеспечения точности измерений является государственная система обеспечения единство измерений (ГСИ). Основные нормативно-технические до­кументы ГСИ — государственные стандарты, В соответствии с реко­мендациями XI Генеральной конференции по мерам и весам в 1960 г. принята Международная система единиц (СИ), на основе которой для обязательного применения разработан ГОСТ 8.417.

Основными единицами физических величин в СИ являются: длины — метр (м), массы — килограмм (кг), времени — секунда (с), силы электрического тока — ампер (А), термодинамической темпе­ратуры — Кельвин (К), силы света — Кандела (кд), количества ве­щества — моль (моль). Дополнительные единицы СИ: радиан (рад) и стерадиан (ср) — для измерения плоского и телесного углов соот­ветственно.

Производные единицы СИ получены из основных или с уже определенных производных с помощью уравнений связи между физическими величинами. Так, единицей силы является ньютон: 1Н == 1 кг*м^-1*с^-2, единицей давления — Паскаль 1 Па = 1 кг*м^-1*с^-2 и т. д. В СИ для обозначения десятичных кратных (умноженных на 10 в положительной степени) и дельных (умноженных на 10 в отрицательной степени) приняты следующие приставки: экса (Э) — Ю¹⁸, пета (П) — 10¹⁵, тера (Т) — 10¹², гига (Г) – 10⁹, мега (М) — 10⁶, кило (к) — 10³, гекто (г) — 10², дека (да) — 10¹, децн (д) — 10^-1, санти (с) — 10^-2, милли (м) — 10^-3, микро (мк) — 10^-6, нано (н) — 10^-9, пико (п) — 10^-12, фемто (ф) — 10^-15, атто (а) — 10^-18. Так, в соответствии с СИ тысячная доля мил­лиметра (микрометр) 0,001 мм == 1 мкм.

3.2. Структура процесса и методы измерений

Основное уравнение измерения Q = q [Q]. Суть измерения - в сравнении размера ФВ Q c размерами выходной величины регулируемой многозначной меры q [Q]: q [Q] < Q < (q +1)[Q].

	D= F(X)- N [Q]

Результат измерения X= F-1{q[Q]}

Q=F(X)

Сравнение с мерой

X

Рис. 3-1. Структура процесса измерения

На рис. 3-1 представлена структура процесса измерения, ниже определены назначение и состав основных блоков.

Измерительное преобразование — операция, при которой ус­танавливается взаимно однозначное соответствие между размера­ми в общем случае неоднородных преобразуемой и преобразован­ной ФВ. Измерительное преобразование описывается уравнением вида Q = F(X), где F — некоторая функция или функционал. Однако чаще стремятся сделать преобразование линей­ным: Q = КХ, где К — постоянная величина (коэффициент пропорциональности).

Основное назначение измерительного преобразования — полу­чение и, если это необходимо, преобразование информации об из­меряемой величине.

Преобразование выполняется на основе вы­бранных физических закономерностей. В измерительное преобра­зование могут входить следующие операции:

• изменение физического рода преобразуемой величины;

• масштабное линейное преобразование;

• масштабно-временное преобразование;

• нелинейное или функциональное преобразование;

• модуляция сигнала;

• дискретизация непрерывного сигнала;

• квантование.

Операция измерительного преобразования осуществляется по­средством измерительного преобразователя — технического уст­ройства, построенного на определенном физическом принципе и выполняющего одно частное измерительное преобразование.

Воспроизведение физической величины заданного размера N[Q] — это операция, которая заключается в создании требуе­мой ФВ, с заданным значением, известным с оговоренной точно­стью. Операцию воспроизведения величины определенного раз­мера можно формально представить как преобразование кода N в заданную физическую величину Q , основанное на единице дан­ной ФВ [Q]: Q_M= N[Q].

Степень совершенства операции воспроизведения ФВ заданного размера определяется постоянством размера каждой ступени кван­тования меры [Q] и степенью многозначности, т.е. числом N вос­производимых известных значений. С наиболее высокой точностью воспроизводятся основные ФВ: длина, масса, время, частота, на­пряжение и ток.

Средство измерений, предназначенное для воспроизведения ФВ заданного размера, называется мерой.

Сравнение измеряемой ФВ с величиной, воспроизводимой мерой Q_M,— это операция, заключающаяся в установлении отношения этих двух величин: Q> Q_M , Q< Q_M или Q= Q_M. Точное совпадение сравнивае­мых величин, как правило, не встречается в практике измерений. Это обусловлено тем, что величина, воспроизводимая мерой, явля­ется квантованной и может принимать значения, кратные единице [Q]. В результате сравнения близких или одинаковых величин Q и Q_M может быть лишь установлено, что |Q - Q_M| < Q_M.

Методом сравнения называется совокупность приемов исполь­зования физических явлений и процессов для определения соот­ношения однородных величин.

Наиболее часто это соотношение устанавливается по знаку разности сравниваемых величин. Дале­ко не каждую ФВ можно сравнить при этом с себе подобной. Все ФВ в зависимости от возможности создания разностного сигнала делятся на три группы.

К первой группе относятся ФВ, которые можно вычитать и таким образом непосредственно сравнивать без предварительного преобразования. Это — электрические, магнит­ные и механические величины. Ко второй группе относятся ФВ, неудобные для вычитания, но удобные для коммутации, а именно: световые потоки, ионизирующие излучения, потоки жидкости и газа. Третью группу образуют ФВ, которые невозможно вычитать (влажность, концентрация, цвет, запах и т.д.).

Метод измерения — это прием или совокупность приемов срав­нения измеряемой ФВ с ее единицей в соответствии с реализован­ным принципом измерения. Метод измерения должен по возмож­ности иметь минимальную погрешность и способствовать исключе­нию систематических погрешностей или переводу их в разряд слу­чайных.

Методы измерения можно классифицировать по различным при­знакам. Известна классификация по основным измерительным операциям. Она тесно связана с элементарными СИ, реализующи­ми эти операции. Данная классификация ориентирована на струк­турное описание средств измерений и поэтому важна для измери­тельной техники, а также метрологии информационно-измеритель­ных систем.

Для метрологического анализа более важными являются тради­ционные классификации, основанные на следующих признаках. Первый из них — физический принцип, положенный в основу из­мерения. По нему все методы измерений делятся на электрические, магнитные, акустические, оптические, механические и т.д. В каче­стве второго признака классификации используется режим взаи­модействия средства и объекта измерений. В этом случае все мето­ды измерений подразделяются на статические и динамические. Третьим признаком может служить применяемый в СИ вид изме­рительных сигналов. В соответствии с ним методы делятся на ана­логовые и цифровые.

Наиболее разработанной является классификация по совокуп­ности приемов использования принципов и средств измерений (рис. 3-2). По этой классификации различают метод непосредственной оценки и методы сравнения. Эти устоявшиеся в литературе назва­ния, не совсем удачны, поскольку наводят на мысль о возможности измерения без сравнения. Пред­ставляется более правильным говорить о опосредованном и непосредственном сравнении с мерой. При этом непосредственным и опосредованным сравнение может быть как во времени, так и в отношении физической природы измеряемых величин.

Метод непосредственной оценки