Принципы и методы стандартизации

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Научные, методологические и теоретические  основы стандартизации

Классификация измерений, видов, методов и определение  совокупных и совместных измерений

Измерение является важнейшим понятием в метрологии. Это организованное действие человека, выполняемое для количественного познания свойств физического объекта с помощью определения опытным путем значения какой-либо физической величины [20]. Существует несколько видов измерений. При их классификации обычно исходят из характера зависимости измеряемой величины от времени, вида уравнения измерений, условий, определяющих точность результата измерений и способов выражения этих результатов. По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения разделяются на статические, при которых измеряемая величина остается постоянной во времени; динамические, в процессе которых измеряемая величина изменяется и является непостоянной во времени. Статическими измерениями являются, например, измерения размеров тела, постоянного давления, динамическими - измерения пульсирующих давлений, вибраций.

По способу  получения результатов измерений  их разделяют на прямые; косвенные; совокупные; совместные.

Прямые - это  измерения, при которых искомое значение физической величины находят непосредственно из опытных данных. Прямые измерения можно выразить формулой Q=X , где Q - искомое значение измеряемой величины, а X - значение, непосредственно получаемое из опытных данных.

При прямых измерениях экспериментальным операциям подвергают измеряемую величину, которую сравнивают с мерой непосредственно или же с помощью измерительных приборов, градуированных в требуемых единицах. Примерами прямых служат измерения длины тела линейкой, массы при помощи весов и др. Прямые измерения широко применяются в машиностроении, а также при контроле технологических процессов (измерение давления, температуры и др.).

Косвенные - это  измерения, при которых искомую  величину определяют на основании известной  зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям, т.е. измеряют не собственно определяемую величину, а другие, функционально с ней связанные. Значение измеряемой величины находят путем вычисления по формуле Q=F (x1,x2,…,xN) , где Q - искомое значение косвенно измеряемой величины; F - функциональная зависимость, которая заранее известна, x1,x2,…xN - значения величин, измеренных прямым способом.

Примеры косвенных  измерений: определение объема тела по прямым измерениям его геометрических размеров, нахождение удельного электрического сопротивления проводника по его сопротивлению, длине и площади поперечного сечения.

Косвенные измерения  широко распространены в тех случаях, когда искомую величину невозможно или слишком сложно измерить непосредственно или когда прямое измерение дает менее точный результат. Роль их особенно велика при измерении величин, недоступных непосредственному экспериментальному сравнению, например размеров астрономического или внутриатомного порядка.

Совокупные - это  производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомую определяют решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин.

Примером совокупных измерений является определение  массы отдельных гирь набора (калибровка по известной массе одной из них и по результатам прямых сравнений масс различных сочетаний гирь).

Пример. Необходимо произвести калибровку разновеса, состоящего из гирь массой 1, 2, 2*, 5, 10 и 20 кг (звездочкой отмечена гиря, имеющая то же самое номинальное значение, но другое истинное). Калибровка состоит в определении массы каждой гири по одной образцовой гире, например по гире массой 1 кг. Для этого проведем измерения, меняя каждый раз комбинацию гирь (цифры показывают массу отдельных гирь, 1обр - обозначает массу образцовой гири в 1 кг):

1=1обр +а

1+1обр=2+b

2*=2+с

1+2+2=5+d и т.д.

Буквы a,b,c,d означают грузики, которые приходится прибавлять или отнимать от массы гири, указанной  в правой части уравнения, для  уравновешивания весов. Решив эту систему уравнений, можно определить значение массы каждой гири.

Совместные - это  производимые одновременно измерения  двух или нескольких неодноименных  величин для нахождения зависимостей между ними.

В качестве примера  можно назвать измерение электрического сопротивления при 200С и температурных коэффициентов измерительного резистора по данным прямых измерений его сопротивления при различных температурах.

По условиям, определяющим точность результата, измерения  делятся на три класса:

1. Измерения максимально возможной точности, достижимой при существующем уровне техники.

К ним относятся  в первую очередь эталонные измерения, связанные с максимально возможной  точностью воспроизведения установленных  единиц физических величин, и, кроме  того, измерения физических констант, прежде всего универсальных (например, абсолютного значения ускорения свободного падения, гиромагнитного отношения протона и др.).

К этому же классу относятся и некоторые специальные  измерения, требующие высокой точности.

2. Контрольно-поверочные измерения, погрешность которых с определенной вероятностью не должна превышать некоторого заданного значения.

К ним относятся  измерения, выполняемые лабораториями  государственного надзора за внедрением и соблюдением стандартов и состоянием измерительной техники и заводскими измерительными лабораториями, которые гарантируют погрешность результата с определенной вероятностью, не превышающей некоторого, заранее заданного значения.

3. Технические  измерения, в которых погрешность  результата определяется характеристиками средств измерений.

Примерами технических  измерений являются измерения, выполняемые  в процессе производства на машиностроительных предприятиях, на щитах распределительных  устройств электрических станций  и др.

По способу  выражения результатов измерений различают абсолютные и относительные измерения.

Абсолютными называются измерения, которые основаны на прямых измерениях одной или нескольких основных величин или на использовании  значений физических констант. Примером абсолютных измерений может служить определение длины в метрах, силы электрического тока в амперах, ускорения свободного падения в метрах на секунду в квадрате.

Относительными  называются измерения отношения  величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерения  величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.

В качестве примера  относительных измерений можно  привести измерение относительной  влажности воздуха, определяемой как  отношение количества водяных паров  в 1 м3 воздуха к количеству водяных паров, которое насыщает 1 м3 воздуха при данной температуре.

Различают два  основных метода измерений: метод непосредственной оценки и метод сравнения с  мерой. При использовании метода непосредственной оценки значение измеряемой физической величины определяют непосредственно по отсчетному устройству прибора прямого действия. Прибор осуществляет преобразование входного сигнала измерительной информации, соответствующего всей измеряемой величине, после чего и происходит оценка ее значения.

Метод сравнения  с мерой характеризуется тем, что прибор (компаратор) сравнивает измеряемую величину с аналогичной известной величиной, воспроизводимой мерой. Овеществленную меру, воспроизводящую с выбранной точностью физическую величину определенного (близкого к измеряемой) размера используют в явном виде. Примерами используемых мер являются гири, концевые меры длины или угла и т.д.

Метод сравнения  с мерой реализуется в нескольких разновидностях:

- дифференциальный  и нулевой методы,

- метод совпадений,

- методы замещения  и противопоставления.

Дифференциальный  метод измерений – метод сравнения  с мерой, в котором на измерительный  прибор воздействует разность измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой  мерой.

Нулевой метод  измерений метод сравнения с  мерой, в котором результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения (компаратор) доводят до нуля.

Метод совпадений метод сравнения с мерой, в  котором значение измеряемой величины оценивают, используя совпадение ее с величиной, воспроизводимой мерой (т.е. с фиксированной отметкой на шкале физической величины). Для оценки совпадения используют прибор сравнения или органолептику, фиксируя появление определенного физического эффекта (стробоскопический эффект, совпадение резонансных частот и др.).

В зависимости  от одновременности или неодновременности воздействия на прибор сравнения измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой, различают методы замещения и противопоставления.

Метод замещения  – метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой, то есть эти величины воздействуют на прибор последовательно.

Метод противопоставления – метод сравнения с мерой, в котором измеряемая величина и  величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение между этими величинами.

Примеры:

- измерение  диаметра цилиндрической поверхности  детали штангенциркулем в одном  сечении – прямое абсолютное  однократное (возможно и многократное) статическое измерение, выполняемое методом непосредственной оценки;

- нахождение  значения угла по результатам  измерений его сторон – измерение  косвенное, при котором осуществляются  прямые абсолютные статические  измерения линейных величин, методы  их измерений зависят от конкретной выбранной реализации.

- определение  коэффициента линейного расширения  материала по результатам измерений  длины образца при различных  температурах – косвенное измерение  искомой величины, требующее совместных  прямых измерений нескольких  физических величин. Методы измерений зависят от конкретной выбранной реализации. Измерения могут осуществляться в статическом или динамическом режимах.

 

Кратко рассмотрим основные научные, методологические и  теоретические основы стандартизации. К ним относятся:

системный подход;

система предпочтительных чисел;

стандартизация  параметров;

перспективная стандартизация;

опережающая стандартизация;

комплексная стандартизация.

В основе системного подхода лежит исследование объектов как систем. Система — это совокупность элементов, находящихся во взаимосвязях друг с другом, которая образует определенную целостность и единство. Методологическая специфика системного подхода определяется тем, что он ориентируется на раскрытие целостности объекта и обеспечение функционирования его составляющих, на выявление многообразных типов связей сложного объекта и сведение их в единую картину. Системный подход выступает как конкретизация принципов диалектики применительно к исследованию, проектированию и конструированию объектов как систем.

Система предпочтительных чисел является теоретической базой современной стандартизации и тесно связана с понятием параметра — количественной характеристикой свойств продукции. Наиболее важными параметрами являются характеристики, определяющие назначение новых видов продукции и условия ее использования, — размерные, весовые и энергетические параметры, характеризующие производительность машин и приборов. Продукция определенного назначения или типа характеризуется рядом параметров. Набор численных значений параметров, которые необходимо использовать и выбирать при разработке, испытании и эксплуатации определенного вида продукции, называется параметрическим рядом. Процесс стандартизации параметрических рядов заключается в выборе и обосновании целесообразной номенклатуры и численного значения параметров. Решается эта задача с помощью математических методов.

Параметрические ряды на типы и виды всей изготавливаемой  продукции определяются согласно системе  предпочтительных чисел. Предпочтительными  числами называются числа, которые рекомендуется выбирать как предпочтительные перед другими при определении величин параметров для видов создаваемых изделий (производительность, грузоподъемность, давление, температура, напряжение, габариты, другие характеристики проектируемых объектов).

Предпочтительные  числа получают на основе геометрической прогрессии, I — член которой равен

qi = ±101/R, а знаменатель  прогрессии Q = 101/R , где R = 5, 10, 20, 40, 80, 160, а i принимает целые значения  в интервале от 0 до R.

Предпочтительные  числа и их ряды служат основой упорядочения выбора величин и градаций отдельных значений параметров технологических процессов, оборудования, продукции, измерительного инструмента, штампов, материалов, транспортных средств и т.п., а также создают предпосылки для сокращения номенклатуры изделий, их унификации, организации массового изготовления типовой продукции.

Стандартизация  параметров. Параметр продукции - это  количественная характеристика одного из свойств назначения продукции. Параметры  продукции делятся на главные и основные.

Главный параметры  –это количественная характеристика предельно  дифференцированного свойства продукции данного вида, т.е. это величина, наиболее полно характеризующая предмет с точки зрения его функционального назначения. Главных параметров может быть один или несколько. Например, одним из главных параметров для химического реактива является его реакционная способность в определенного типа реакциях, для мономеров — полимеризационная активность, для автомобиля — мощность двигателя.

По главному параметру строятся ряды, из которых составляется стандарт на данный ряд предметов — стандарт параметров и размеров.

Основные параметры  определяют характерные конструкционные, технологические и эксплуатационные свойства и необходимы для наиболее полного и точного описания изделий и процессов. К числу основных параметров можно отнести содержание основного вещества и примесей для химических соединений, размеры, скорость, расход энергии, топлива и т.д. Основные параметры могут быть объединены в группы, установленные на основе анализа большого числа параметрических стандартов, машин различного функционального назначения: размерные, силовые, эксплуатационные и т.д.

Перспективная стандартизация требует разработки прогрессивных стандартов, отвечающих передовому уровню состояния науки и техники и содержащих перспективные требования, отвечающие этому уровню. Стандарты с перспективными требованиями должны предусматривать ограниченную номенклатуру основных показателей технического уровня и качества и характеризовать тенденцию прогрессивного развития данной группы однородной продукции в прогнозируемый период. Например, в автомобилестроении такими показателями могут быть моторесурс двигателей, экологичность, экономичность.