ВВЕДЕНИЕ В МЕТРОЛОГИЮ И АНТРОПОМЕТРИЮ

Министерство Образования
Верх – Исетского района Екатеринбургский
Радиотехнический техникум им. А. С.
Попова

Группы
Э – 313

7.1 Универсальные
измерительные инструменты и приборы.

Федеральное
агентство по образованию

высшего
профессионального образования

Омский
государственный технический университет

ББК
30.10 я 73

А.
Л. Ахтулов,
д-р техн. наук, проф., зав. каф. 
Управление

качеством
и сертификация
Сибирской государствен-

А.
К. Ельцов,
канд. техн. наук, доцент каф.  Электросвязь
Института

радиоэлектроники,
сервиса и диагностики

Б64
Метрология,
стандартизация и сертификация: конспект
лекций / С. В.

Бирюков.
– Омск: Изд-во ОмГТУ, 2009. – 116 с.

Конспект
лекций соответствует утвержденной
программе дисциплины Метрология,
стандартизация и сертификация
для студентов электротехнических,
радиотехнических и информационных
специальностей и направлений.

Рассматриваются
основные вопросы метрологии, стандартизации
и сертификации, необходимые студентам
для освоения дисциплины Метрология,
стандартизация и сертификация
в рамках учебного плана.

Конспект лекций предназначен для
студентов заочной формы обучения, но
может быть также полезен студентам
очной и очно-заочной форм обучения.

Печатается
по решению редакционно-издательского
совета

ISBN
978-5-8149-0652-6 технический
университет, 2009

Введение

Метрология,
стандартизация и сертификация являются
инструментами обеспечения качества
продукции, работ и услуг. Овладение
методами обеспечения качества,
базирующимися на триаде – метрология,
стандартизация и сертификация, является
одним из главных условий выхода поставщика
на рынок с конкурентноспособной
продукцией (услугой).

Соблюдение
правил метрологии в различных сферах
коммерческой деятельности позволяет
свести к минимуму материальные потери
от недостоверных результатов измерений.

В
рыночной экономике для того, чтобы
победить в конкурентной борьбе, выйти
на мировой рынок и поднять репутацию
торговой марки изготовитель и его
торговый посредник должны быть
заинтересованы в выполнении как
обязательных, так и рекомендуемых
требований стандарта. В этом смысле
стандарт приобретает статус рыночного
стимула.

Таким
образом, стандартизация является
инструментом обеспечения не только
конкурентоспособности, но и эффективного
партнерства изготовителя, заказчика и
продавца на всех уровнях управления.

Сегодня
поставщику недостаточно строго следовать
требованиям прогрессивных стандартов
– надо подкреплять выпуск товаров и
оказание услуг сертификатом безопасности
или качества. Наибольшее доверие у
заказчиков и потребителей вызывает
сертификат на систему качества. Он
создает уверенность в стабильности
качества, в достоверности и точности
измеренных показателей качества,
свидетельствует о высокой культуре
процессов производства продукции и
предоставления услуг.

Очень
остро стоит вопрос о гармонизации
отечественных правил метрологии,
стандартизации и сертификации с
международными правилами, поскольку
это является важным условием вступления
России во Всемирную торговую организацию
(ВТО) и дальнейшей деятельности страны
в рамках этой организации.

Целью
изучения дисциплины
Метрология,
стандартизация и сертификация
является формирование у студентов
знаний, умений и навыков в указанных
областях наук для обеспечения эффективности
коммерческой деятельности.

Введение в метрологию

Метрология
как учение об измерениях в значитель­ной
степени определяет темпы технического
прогресса, причем роль ее постоянно
возрастает с увеличением объ­ема и
значимости измерительной информации.
Огром­ный объем информации, получаемой
в результате изме­рений, будет полезным
только при обеспечении единства и
правильности выполнения измерений
независимо от места, времени и условий
их проведения. Для получения достоверной
и точной информации необходима современная
эталонная база, воспроизводящая единицу
физической величины с большой точностью.

Фундаментальные
физические исследования, тща­тельный
и всесторонний анализ современных
достижений естественных наук, техники
и технологии позволили российским
метрологам (ВНИИМС, ВНИИМ им. Д. И. Менделеева,
ВНИИФТРИ и др.) создать одну из самых
современных в мире эталонных баз,
включающую в себя около 150 го­сударственных
и 500 вторичных (главным образом рабо­чих)
эталонов, обеспечивающих воспроизведение
и хра­нение единиц примерно 75 физических
величин. Эталон­ная база обеспечивает
единство измерений для таких важнейших
отраслей народного хозяйства, как
машино­строение, электро- и
теплоэнергетика, радиоэлектрони­ка,
транспорт, здравоохранение и др.

Одна
из основных задач метрологии – обеспечение
единства измерений и необходимой
точности и достоверности измерительной
информации. В народном хозяйстве
применяют лишь те средства измерений,
которые гарантируют их результа­ты.
Результаты измерений 
знания о состоянии объек­та и свойствах
явлений. Чем точнее эти знания, тем
пра­вильнее вывод и принимаемые
решения, тем меньше ве­роятность
ошибок и появления дефектов.

Правовые
основы единства измерений устанавливает
принятый 27 апреля 1993 года Закон об
обеспечении единства измерений.

Оценка
погрешности измерения в современных
усло­виях 
задача комплексная и сложная. Некорректная
оценка погрешности измерений чревата
большими эко­номическими потерями,
а иногда и техническими послед­ствиями,
неправильными выводами при научных
иссле­дованиях и испытаниях образцов
новой техники.

Большая
работа, проведенная Комитетом стандартов
по законодательной метрологии, позволила
стандартизи­ровать термины, применяемые
в измерительной технике, перейти на
использование в измерительной технике
Международной системы еди­ниц,
сформулировать и узаконить основные
положения Государствен­ной системы
обеспечения единства измерений.

Введение в метрологию.

Технический
прогресс, совершенствование технологических
процессов, производство точных, надежных
и долговечных машин и приборов, повышение
качества продукции, обеспечение
взаимозаменяемости и коопе­рирования
производства невозможны без развития
метрологии и посто­янного совершенствования
техники измерений.

Метрология
—
наука об измерениях физических величин,
методах и средствах обеспечения их
единства. Основные проблемы метрологии:
раз­витие общей теории измерений;
установление единиц физических величин
и их системы; разработка методов и
средств измерений, а также методов
определения точности измерений;
обеспечение единства измерений,
едино­образия средств и требуемой
точности измерения; установление
эталонов и образцовых средств измерений;
разработка методов передачи размеров
единиц от эталонов или образцовых
средств измерений рабочим сред­ствам
измерений и др. Важнейшая роль в решении
указанных проблем отводится государственной
метрологической службе, имеющей
научно-исследовательские институты и
разветвленную сеть лаборатории
государ­ственного надзора и других
организаций. Большую роль в развитии
метрологии сыграл Д. И. Менделеев, который
руководил метрологической службой в
России в период 1892—1907 гг.

Под
измерением
понимают нахождение значений физической
величины опытным путем с помощью
специально для этого предназначенных
техни­ческих средств.

Основное
уравнение измерения имеет вид Q = qU, где
Q — значение физической величины, q —
числовое значение физической величины
в принятых единицах, U — единица
физической величины.

Единица
физической величины —
физическая величина фиксированного
размера, принятая по согласованию в
качестве основы для количествен­ного
оценивания физических величин той же
природы.

Измерения
производят как с целью установления
действительных раз­меров изделий и
соответствия их требованиям чертежа,
так и для проверки точности технологической
системы и подналадки ее для предупреждения
появления брака.

Вместо
определения числового значения величины
для упрощения часто проверяют, находится
ли действительное значение этой величины
(например, размер детали) в установленных
пределах. Процесс получения и обработки
информации об объекте (параметрах
детали, механизма, процесса и т. д.) с
целью определения его годности или
необходимости введения управляющих
воздействий на факторы, влияющие на
объект, называется контролем.
При контроле деталей проверяют
соответствие действительных значений
геометрических, механических, электрических
и других параметров допустимым значениям
этих параметров.

Для
унификации единиц физических величин
в международном масштабе создана
Международная
система единиц СИ.

1 Введение

Измерения играют
важную роль в жизни человека. С измере­ниями
он встречается на каждом шагу своей
деятельности, начи­ная от определения
расстояний на глаз, измере­нием
текущего времени по наручным часам и
кончая контролем слож­ных технологических
процессов и выполнением научных
исследо­ваний.

Теоретическим
обобщением всех проблем, возникающих
при измерениях, занима­ется наука об
измерениях — метрология (от греч. 
— мера и 
— учение, наука).

Развитие производства
и естественных наук неразрывно связано
с прогрессом в метрологии. Их взаимодействие
показано на рис.1. Измерения — один из
способов позна­ния. Многие исследования
в области естественных наук сопровождаются
измерениями, по­зволяющими установить
количественные соотношения и
законо­мерности изучаемых явлений.
Значимость метрологии для естественных
наук состоит в том, что эксперимен­тальная
проверка их теоретических положений
выполняется только с помощью измере­ний.
Д. И. Менделеев писал: «Наука начинается
с тех пор, как начинают измерять; точная
наука не­мыслима без меры». История
науки знает примеры, говорящие о том,
что прогресс в области измерений
способствовал новым открытиям. В свою
очередь, дости­жения науки позволяли
совершенствовать методы и средства
измерений, предоставляя в распоряжение
метрологии новую теоретическую базу и
новые технологические решения.

Естественные науки
служат теоретической базой для внедрения
в производство новых технологий, новых
материалов и веществ, получая взамен
эти материалы и вещества для
совершенствования науки.

Аналогично имеется
тесная связь между достижениями
производства и возможно­стями
измерительной техники. Улучшение
качества продукции и повышение
производи­тельности в значительной
степени обусловлены тем, на­сколько
хорошо оснащено и организовано
метрологическое обеспечение производства.
Осознание этого обстоятель­ства
стимулирует совершенствование
метрологической науки. С другой стороны,
достиже­ния производства в области
получения новых материалов, новых
элементов с расширен­ными функциональными
свойствами, новых технологий отражаются
на характеристиках средств измерений,
создают возможности для разработки
принципиально новых средств измерений.

Разумеется,
приведенная схема имеет в определенной
степени условный характер, поскольку
подчас трудно провести границу раздела
между производством, наукой и метрологией.
Часто измерительная техника является
неотъемлемой частью производства и
научных исследований. С другой стороны,
ученые, специализирующиеся в определенной
предметной научной области, как никто
другой осознают необходимость в
разработке или совершенствовании
метрологического обеспечения своей
научной дисциплины. Так сами
естествоиспытатели становятся первыми
метрологами в новой области знаний.

2 Краткие сведения из истории метрологии

Схема взаимодействия
между производством, естественными
науками и метро­логией, приведенная
на рис.1, справедлива и в историческом
аспекте — с учетом конкрет­ного
содержания этих понятий на каждом
историческом этапе их развития. На
рис.2 в упрощенной форме показан процесс
синхронного развития человеческой
культуры и метрологии как составной
части этой культуры. На ранних этапах
истории человечества

знания о природе
существовали в достаточно примитивной
форме и не делились на современные
разделы естественные наук. Это был этап
естественных пранаук, этап возникно­вения,
развития и осмысления материальной
культуры человечества. Когда человек
научился изготовлять орудия труда,
пользоваться ими и воздей­ство­вать
на окружающую его природу, он стал
производить измерения. В самых древних
памятниках человечес­кой культуры
имеются указания об измерениях,
выполняемых человеком.

Первыми измерениями
были: измерение времени ( вернее,
определение времени ), необходимые для
правильной организации сельскохозяйственных
работ и распределения рабочего времени
в течение дня; измерение площадей и
расстояний, связанных с участками
обрабатываемой земли, пастбищами
,местами охоты; измерения объема и массы,
главным образом для оценки количества
зерновых культур и других ценностей.
Позднее, но все еще в очень отдаленные
времена, в связи с ростом строительной
техники, особенно развились измерения
площадей,
объемов, углов различных геометрических
фигур и тел.

Вплоть до конца
средних веков измерения ограничивались
измерениями времени, геометрических
размеров и массы.
В ХIV
— XVI
вв. начался бурный расцвет ремесел,
наук, искусств, архитектуры. Произошла
специализация естественных наук.
Потребности зарож­дающегося
промышленного производства привели к
развитию механики, позднее теплотехники,
оптики, химии. Вместе с развитием науки
появляется необходимость в измерении
разного рода вновь открытых величин
или величин, начавших играть значительную
роль в науке и технике. Так, в XVII
в. появились барометры для измерения
давления воздуха, термометры для
измерения температуры; манометры для
измерения давления воды.

В XVIII
в. появились динамометры для измерения
силы, калориметры для измерения количества
теплоты, начали производиться измерения
некоторых световых величин. В связи с
изобретением
паровых машин и распространением
механических двигателей возникли
понятия о работе и мощности, появились
единицы для их измерения: пудофут,
лошадиная сила.

Одновременно с
изучением явлений электричества стали
создаваться электроизме­ритель­ные
приборы. В
1820 г. А.
Ампер продемонстрировал первый
гальванометр, представляющий собой
магнитную стрелку, на которую действует
поле проводника с измеряемым током.
Вторая половина
XIX в.
ознаменовалась возникновением
электротехники
— области
науки и техники, связанной с исполь­зованием
явлений электричества для практических
нужд (для связи, энергетики и т. п.).
Поэтому в то время особенно интенсив­но
разрабатывались различные
электроизмерительные приборы. В
1867 г.
У. Томсоном (Кельвином) был предложен
гальвано­метр с подвижной катушкой
и неподвижным электромагнитом, Â
1880-1881 гг.
М. Депре и Ж. А. д’Арсонваль усовершенствовали
гальванометр, применив постоянный
магнит. В 1872
г. А. Г. Столетов, исследуя зависимость
магнитной проницаемости железа от
напряженности магнитного поля, разработал
метод измерения индукции с помощью
баллистического гальвано­метра. Для
регистрации электрических сигналов в
конце
XIX столетия
был разработан светолучевой осциллограф,
а вначале XX
в. для изучения электрических сигналов
стали применять электронно-лучевую
трубку.

В XX
столетии было развито учение о строении
атома, о явлении радиоактивности.
Метрология была обогащена методами
измерений в этих областях.

На современном
этапе развитие естественных наук
опережающими темпами проис­ходит на
стыке сложившихся наук. По мнению многих
ученых это позволяет прогнозиро­вать
в ближайшем будущем определенное слияние
естественнонаучных дисциплин.
Соот­ветственно будут предложены
новые методы и средства измерений,
адекватно отображающие будущее понимание
явлений природы.

Существенной
частью метрологии является понятие
о мере как
единице измерения. На раннем этапе
развития культуры человек сопоставлял
и сравнивал наблюдаемые им предметы и
величины с размерами отдельных частей
своего тела: длина локтя, ступни,
расстояние между концами большого
пальца и мизинца при наибольшем
раздвижении пальцев, длина между концами
вытянутых в стороны рук и т. п. Другой
«мерой» длины служили предметы и понятия
обиходные. В Англии в 1324г. Король Эдвард
II
установил в качестве единицы длины
«законный дюйм» как длину «трех ячменных
зерен, вынутых из средней части колоса
и приставленных одно к другому своими
концами». Единицей для измерения больших
расстояний служило расстояние на которое
можно было кинуть камень, пустить стрелу
или расстояние, которое можно пройти
за день, от зари до зари. Объем измерялся
горстью или охапкой. Масса оценива­лась
по весу предмета, который легко поднимал
человек.

С размерами
человеческого тела связывались и более
сложные, чем длина, меры, например,
единицы площади. Так в Японии около 2000
лет тому назад в качестве единицы площади
стали применять «татами» — размер
циновки, на которой может поместиться
«средний» японец. Этот обычай сохранился
у японцев до сих пор при измерении
площади помещений.

Конечно, все эти
и подобные им меры и единицы были
произвольными, случай­ного порядка.
С течением времени люди пришли к пониманию
ценности специаль­ных вещественных
мер для измерений. Например, водяные
часы использовали в
качестве
меры, воспроизводящей определенный
интервал вре­мени. Затем стали вводить
в практику «естественные» меры. Такой
мерой стала Земля, период вращения
которой использо­вался для воспроизведения
единицы времени. Для хранения размера
единицы длины перешли от локтя или
ступни ноги к бруску равной им длины;
размера единицы массы — к гирям той
или иной формы, изготовленных из камня
или из металла.

Наиболее широкое
распространение единицы и меры получили
в древнейших куль­тур­ных странах:
Китае, Вавилоне, Египте. Так, уже в
Древнем Вавилоне было приня­то, что
сутки содержат 24 часа, 1 час — 60 минут и
1 минута — 60 секунд. Вавилонские меры
(локоть, меры массы — талант, мин) перешли
в Грецию, Рим, а затем в Европу, где
получили дальнейшее развитие. В Киевской
Руси эталоном длины был «золотой пояс»
великого князя Святослава Ярославича
(1073-1076гг.), равный 108 см.

С течением времени,
в эпоху великих географических открытий
в связи с ростом культуры и развитием
ремесел и торговли, меры совершенствовались,
узаконивались, появилась взаимозависимость
между мерами отдельных величин.

Дальнейшее развитие
человеческого общества
— развитие
торговли и мореходства, появление
промышленности, развитие наук требовали
повышения постоянства мер. Были
организованы государственные службы
по хранению, поверке эталонов и контролю
мер. В России в 1842г.было организовано
Депо образцовых мер и весов. В 1849г. Была
издана первая в России научно-учебная
книга Ф. И. Петрушевского «Основы
метрологии».

По мере роста
международного товарообмена все более
укреплялось понимание необходимости
единства мер в мировом масштабе. В 1840г.
Во Франции была принята метрическая
система мер. С этого времени по сегодняшний
день Франция является ведущей страной
в области метрологии. В 1875г. На
Дипломатической метрологической
конференции, проведенной в Париже, в
которой участвовали 17 стран (включая
Россию), была принята Метрическая
конвенция «для
обеспечения единства и усовершенствования
метрической системы». Конвенция
предусматривала:

Эти решения
выполняются до сих пор, что свидетельствует
о правильности и объективной необходимости
решений, принятых Метрической конвенцией.

В 1893г. Депо было
преобразовано в Главную палату мер и
весов России, которую до 1907г. Возглавлял
Д. И. Менделеев. Он внес большой вклад в
дело развития метрологии в России.

В годы существования
СССР метрология получила дальнейшее
развитие на фоне увеличения промышленного
и аграрного производства. Главная палата
мер и весов была преобразована во
Всесоюзный Научно-Исследовательский
Институт Метрологии — ВНИИМ
(г. Санкт-Петербург), который стал одним
их авторитетнейших метрологических
центров в мире. Были организованы
научно-исследовательские институты
метрологического профиля в гг. Москва,
Новосибирск, Свердловск, Казань, Тбилиси,
Ереван, Харьков, Львов.

С распадом СССР в
государствах-членах СНГ сохранилось
понимание государ­ствен­ной важности
метрологии. Принято решение о продолжении
действия стандартов СССР, включая в
области метрологии, на территории
государств-членов СНГ.

В настоящее время
Украина, как независимое государство,
совершенствует свое законодательство
в области метрологии. Верховной Радой
Украины в феврале 1998г. принят Закон
Украины №113-98-ВР «О метрологии и
метрологической деятельности», который
уточняет базовую терминологию метрологии,
определяет организационную структуру
государственной метрологической службы
Украины.

Средства измерения.

Технические
средства, имеющие нормированные
метрологические свой­ства называются
средствами
измерения.
К ним относятся следующие:

Эталоны
единиц физических величин —
средства измерений или комп­лексы
средств измерений, официально утвержденные
эталонами для вос­произведения единиц
физических величин с наивысшей достижимой
точ­ностью, и их хранения (например,
комплекс средств измерений для
воспро­изведения метра через длину
световой волны). Примером точности
эта­лонов может служить государственный
эталон времени, погрешность которого
за 30 тыс. лет не будет превышать 1 с.

Меры
—
средства измерений, предназначенные
для воспроизведения физической величины
заданного размера. К мерам относятся
плоско­параллельные концевые меры
длины, гири, конденсаторы постоянной
емкости и т. п.

Образцовые
средства измерений —
это меры, измерительные приборы

или преобразователи,
утвержденные в качестве образцовых.
Они служат для контроля нижестоящих по
поверочной схеме измерительных средств,
в то же время их периодически поверяют
по эталонам. Точность образ­цовых
средств измерения имеет большое значение
для обеспечения единства измерений.

Рабочие
средства измерений —
это меры, устройства или приборы,
при­меняемые для измерений, не связанных
с передачей единицы физической величины
(например, концевая мера длины, используемая
для контроля

размеров изделии
или для наладки станков).

Передача
размеров единицы физической величины
от эталона к рабочим средствам измерения
производится в соответствии с поверочной
схемой,
устанавливающей средст­ва, методы и
точность передачи единицы размера.

Точность
указанных измерительных средств
понижается в 1,6—3 раза с переходом на
одну ступень от более точных средств к
менее точным по поверочной схеме.