Основы метрологии, стандартизации и сертификации


Н. Д. Дубовой, Е. М. Портнов







                ОСНОВЫ МЕТРОЛОГИИ, СТАНДАРТИЗАЦИИ И СЕРТИФИКАЦИИ





Допущено Министерством образования и науки Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов учреждений среднего профессионального образования, обучающихся по группе специальностей «Информатика и вычислительная техника»










znanium.com

МОСКВА
ИД «ФОРУМ» - ИНФРА-М 2019

УДК 004(075.32) ББК 32.97я723
Д79

        ФЗ     Издание не подлежит маркировке
        436-ФЗ в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11






Рецензенты:
доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Информатика и программное обеспечение вычислительных систем» Московского государственного института электронной техники (Технического университета) Л. Г. Гагарина;
кандидат техн. наук, доцент кафедры информационных технологий (Институт искусства и информационных технологий) А. А. Петров




      Дубовой Н.Д.
Д79 Основы метрологии, стандартизации и сертификации : учеб. пособие / Н.Д. Дубовой, Е.М. Портнов. — М. : ИД «ФОРУМ» : ИНФРА-М, 2019. — 256 с. — (Профессиональное образование).

        ISBN 978-5-8199-0338-4 (ИД «ФОРУМ»)
        ISBN 978-5-16-003172-9 (ИНФРА-М, print)
        ISBN 978-5-16-100817-1 (ИНФРА-М, online)

         В учебном пособии охватываются новейшие аспекты развития стандартизации, метрологии и сертификации в области информационных технологий. Приводятся особенности стандартизации и сертификации в России, затрагиваются вопросы деятельности отечественных и зарубежных организаций по стандартизации, единства измерений, организации метрологического обеспечения производства, разработки и применения стандартов.
         Предназначено для студентов средних специальных учебных заведений всех специальностей, изучающих дисциплину «Метрология, стандартизация, сертификация». Может быть полезно студентам и преподавателям вузов, руководителям и специалистам предприятий и организаций, работающим в области стандартизации и управления качеством.

УДК 004(075.32)
                                                       ББК 32.97я723




ISBN 978-5-8199-0338-4 (ИД «ФОРУМ»)            © Н. Д. Дубовой,
ISBN 978-5-16-003172-9 (ИНФРА-М, print)        © Е. М. Портнов, 2016
ISBN 978-5-16-100817-1 (ИНФРА-М, online)       © ИД «ФОРУМ», 2016

            Введение









   В современных условиях развивающегося информационного общества с учетом всеобщего применения и распространения информационных технологий и систем, а также в связи с реализацией объявленной ранее президентом программы на создание в стране единого образовательного и информационного пространства появление учебного пособия, освещающего непосредственно теоретические и практические вопросы метрологии, стандартизации и сертификации, в процессе создания новейших систем качества более чем актуально.
   Весь накопленный опыт в области обеспечения качества был суммирован в международных стандартах ИСО серии 9000 на системы управления качеством, которые стали широко внедряться по всему миру с конца 1980-х годов. Главной целевой установкой стандартов является построение систем качества, обеспечивающих изготовление продукции, соответствующей требованиям заказчиков и соответственно ориентированной на предоставление доказательств способности предприятия стабильно выпускать продукцию определенного уровня качества.
   Управление качеством во многом основывается на контроле и учете многочисленных результатов измерений параметров технологических процессов при производстве изделия. Все отрасли техники не могли бы существовать без развернутой системы измерений, определяющих как все технологические процессы, контроль и управление ими, так и свойства и качество выпускаемой продукции. Измерения, методы и средства обеспечения их единства, а также способы достижения необходимой точности измерений изучает метрология.
   Проблема сертификации услуг в России приобрела особую актуальность в связи с введением в действие Закона Российской Федерации «О защите прав потребителей», предусматривающего обязательную сертификацию товаров и услуг на соответствие

Введение

требованиям безопасности для жизни и здоровья людей, имущества, а также охраны окружающей среды. Кроме того, необходимость проведения работ по сертификации связана с переходом нашей страны к рыночной экономике, в условиях действия которой качество услуги, как и любого другого товара, является фактором ее конкурентоспособности.
    В представленном учебном пособии приводятся особенности стандартизации и сертификации в России, затрагиваются вопросы деятельности отечественных и зарубежных организаций по стандартизации, единства измерений, организации метрологического обеспечения производства, разработки и применения стандартов.
    Основное отличие данного пособия от аналогичных изданий заключается в дидактической направленности каждого из четырех разделов, семантически согласованных друг с другом. Именно поэтому только на базе основных понятий и определений в области метрологии возможно освещение проблем организации метрологического обеспечения производства, разработки и применения стандартов; подтверждения соответствия товаров и услуг требованиям действующих российских и международных нормативных документов посредством сертификации.
    Материал пособия прошел апробацию в Московском институте электронной техники и используется в учебном процессе различных факультетов.

Глава 1


            ОСНОВЫ МЕТРОЛОГИИ









    В практической жизни человек всюду имеет дело с измерениями. На каждом шагу встречаются измерения таких величин, как длина, объем, вес, время и др.
    Измерения являются одним из важнейших путей познания природы человеком. Они дают количественную характеристику окружающего мира, раскрывая человеку действующие в природе закономерности. Все отрасли техники не могли бы существовать без развернутой системы измерений, определяющих как все технологические процессы, контроль и управление ими, так свойства и качество выпускаемой продукции.
    Велико значение измерений в современном обществе. Они служат не только основой научно-технических знаний, но имеют первостепенное значение для учета материальных ресурсов и планирования, для внутренней и внешней торговли, обеспечения качества продукции, взаимозаменяемости узлов и деталей и совершенствования технологии, обеспечения безопасности труда и других видов человеческой деятельности.
    Особенно возросла роль измерений в век широкого внедрения новой техники, развития электроники, автоматизации, атомной энергетики, космических полетов. Высокая точность управления полетами космических аппаратов достигнута благодаря современным совершенным средствам измерений, устанавливаемым как на самих космических аппаратах, так и в измери-тельно-управляющих центрах.
    Большое разнообразие явлений, с которыми приходится сталкиваться, определяет широкий круг величин, подлежащих измерению. Во всех случаях проведения измерений независимо от измеряемой величины, метода и средства измерений есть об

Глава 1. Основы метрологии

щее, что составляет основу измерений, — это сравнение опытным путем данной величины с другой подобной ей, принятой за единицу. При всяком измерении мы с помощью эксперимента оцениваем физическую величину в виде некоторого числа принятых для нее единиц, т. е. находим ее значение.
    В настоящее время установлено следующее определение измерения: измерение есть нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.
    Отраслью науки, изучающей измерения, является метрология.



        1.1. Теоретические основы метрологии

   Слово «метрология» образовано из двух греческих слов: мет-рон — мера и логос — учение. Дословный перевод слова «метрология» — учение о мерах. Долгое время метрология оставалась в основном описательной наукой о различных мерах и соотношениях между ними. С конца прошлого века благодаря прогрессу физических наук метрология получила существенное развитие. Большую роль в становлении современной метрологии как одной из наук физического цикла сыграл Д. И. Менделеев, руководивший отечественной метрологией в период 1892—1907 гг.
   Метрология в ее современном понимании — наука об измерениях, методах, средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.
   Единство измерений — такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности измерений известны с заданной вероятностью. Единство измерений необходимо для того, чтобы можно было сопоставить результаты измерений, выполненных в разных местах, в разное время, с использованием разных методов и средств измерений.
   Точность измерений характеризуется близостью их результатов к истинному значению измеряемой величины.
   Таким образом, важнейшими задачами метрологии являются усовершенствование эталонов, разработка новых методов точных измерений, обеспечение единства и необходимой точности измерений.

1.1. Теоретические основы метрологии

7

    Классификация и основные характеристики 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 с помощью весов и др. Прямые измерения широко применяются в машиностроении, а также при контроле технологических процессов (измерение давления, температуры и др.).

Глава 1. Основы метрологии

   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(х 1, х2, ..., xN), где Q — искомое значение косвенно измеряемой величины; F — функциональная зависимость, которая заранее известна, х 1, х₂, ..., 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).
   Совместные — это производимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для нахождения зависимостей между ними.
   В качестве примера можно назвать измерение электрического сопротивления при 20 °C 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.

1.1. Теоретические основы метрологии

9

   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.

Глава 1. Основы метрологии

   Основными характеристиками измерений являются: принцип измерений, метод измерений, погрешность, точность, правильность и достоверность.
   Принцип измерений — физическое явление или совокупность физических явлений, положенных в основу измерений. Например, измерение массы тела с помощью взвешивания с использованием силы тяжести, пропорциональной массе, измерение температуры с использованием термоэлектрического эффекта.
   Метод измерений — совокупность приемов использования принципов и средств измерений. Средствами измерений являются используемые технические средства, имеющие нормированные метрологические свойства.
   Погрешность измерений — разность между полученным при измерении X' и истинным Q значениями измеряемой величины:

А = X'- Q.                   (1.1)

   Погрешность вызывается несовершенством методов и средств измерений, непостоянством условий наблюдения, а также недостаточным опытом наблюдателя или особенностями его органов чувств.
   Точность измерений — это характеристика измерений, отражающая близость их результатов к истинному значению измеряемой величины.
   Количественно точность можно выразить величиной, обратной модулю относительной погрешности:


А

-1

е =

Q

(1.2)


   Например, если погрешность измерений равна 10 ⁴, то точность равна 10⁴.
   Правильность измерения определяется как качество измерения, отражающее близость к нулю систематических погрешностей результатов (т. е. таких погрешностей, которые остаются постоянными или закономерно изменяются при повторных измерениях одной и той же величины). Правильность измерений зависит, в частности, от того, насколько действительный размер единицы, в которой выполнено измерение, отличается от ее истинного размера (по определению), т. е. от того, в какой степени