МЕТРОЛОГИЯ СТАНДАРТИЗАЦИЯ СЕРТИФИКАЦИЯ 2020 МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ ФГБОУ ВО «АНГАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» КАФЕДРА АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ Ильина И.Л. МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ Учебное пособие Ангарск – 2020 1 Ильина И.Л. Метрология, стандартизация и сертификация [эл. рес.]: учебное пособие для студентов всех форм обучения по направлению подготовки 15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств (бакалавриат)» и 15.04.04 «Автоматизация технологических процессов и производств (магистратура)»/И.Л. Ильина – Ангарск: АнГТУ, 2020. – 214 с. В пособии освещено научное, методическое и организационное обеспечение работ в области метрологии, стандартизации и сертификации. Рассмотрены методы и средства обеспечения единства измерений и способы достижения требуемой точности, организации метрологического обеспечения производства, разработки и применения стандартов, также вопросы подтверждения соответствия товаров и услуг. Приведены примеры решения задач. Предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки 15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств (бакалавриат)» и 15.04.04 «Автоматизация технологических процессов и производств (магистратура)». Рецензенты: Зам. главного метролога АО «Ангарский завод полимеров» Фигура В.В. К.т.н., доцент кафедры «Промышленная электроника и информационноизмерительная техника» ФГБОУ ВО АнГТУ Воронова Т.С. Рекомендовано к изданию учебно-методическим советом АнГТУ Ангарский государственный технический университет, 2020 г. Кафедра автоматизации технологических процессов, 2020 г. Ильина И.Л., 2020 г. 2 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………………………9 1 Предмет и задачи метрологии…………………………………………………11 1.1 Предмет метрологии …… ………………………………………………… 11 1.2 Структура теоретической метрологии………………………………………..12 2 Физические величины. Единицы физических величин…………………...17 2.1 Физические величины……………………………………………………….....17 2.2 Системы физических величин и их единиц. Международная система единиц (система СИ)………………………………………………………………………..22 2.3 Воспроизведение единиц физических величин и передача их размеров…...26 2.4 Поверочные схемы……………………………………………………………..29 3 Виды и методы измерений……………………………………………………..34 3.1 Основные характеристики измерений………………………………………...34 3.2 Классификация измерений………………………………………………….…35 3.3 Основные этапы измерений…………………………………………………....40 4 Средства измерений…………………………………………………………….43 4.1 Классификация средств измерений…………………………………………...43 4.2 Статическая характеристика средства измерений…………………………...46 4.3 Динамические характеристики средства измерений………………………...47 5 Метрологические характеристики средств измерений……………………49 5.1 Классификация погрешностей измерений и средств измерений……………49 5.1.1 Классификация погрешностей по характеру проявления…………………...51 5.1.2 Классификация погрешностей по способу выражения………………………52 5.1.3 Классификация погрешностей по отношению к условиям применения……53 5.1.4 Классификация погрешностей по отношению к изменяемости измеряемой величины………………………………………………………………………54 5.1.5 Классификация погрешностей по характеру зависимости от измеряемой величины………………………………………………………………….55 5.1.6 Классификация погрешностей по месту возникновения…………………….58 5.2 Нормируемые метрологические характеристики средств измерений……...58 5.2.1 Номенклатура метрологических характеристик………………………....59 5.3 Класс точности средства измерений………………………………………..…63 5.3.1 Способы нормирования и форма выражения метрологических характеристик………………………………………………………………………………63 5.3.2 Обозначение классов точности…………………………………………………..66 5.4 Правила округления значений погрешности и результата измерений……..68 3 6 Случайные погрешности………………………………………………………70 6.1 Необходимые сведения из теории вероятностей………………………….….70 6.1.1 Моменты распределения……………………………………………………….…..73 6.1.2 Квантили распределения. Уровень значимости…………………………….…75 6.1.3 Доверительный интервал……………………………………………………….….76 6.2 Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений…………………………………………………………...77 6.2.1 Термины и определения……………………………………………………………..77 6.2.2 Общие положения…………………………………………………………………...78 6.2.3 Оценка измеряемой величины и среднее квадратическое отклонение.......79 6.2.4 Исключение грубых погрешностей……………………………………………….80 6.2.5 Доверительные границы случайной погрешности…………………………….80 6.2.6 Проверка гипотезы о нормальности распределения результатов измерений при числе результатов наблюдений 15 < n < 50…………………...…..81 6.2.7 Доверительные границы неисключенной систематической погрешности…………………………………………………………………………………83 6.2.8 Доверительные границы погрешности оценки измеряемой величины……85 6.2.9 Форма записи оценки измеряемой величины………………………………......86 6.3 Определение результатов косвенных измерений и оценивание их погрешностей…………………………………………………………………….....86 6.3.1 Критерий отсутствия корреляционной связи между погрешностями результатов измерений аргументов…………………….87 6.3.2 Косвенные измерения при линейной зависимости………………………….…88 6.3.3 Косвенные измерения при нелинейной зависимости……………………….…90 6.3.4 Метод приведения…………………………………………………………………...92 6.3.5 Форма представления результата измерения…………………………………93 7 Систематические погрешности…………………………………………….....95 7.1 Систематические погрешности и их классификация………………………...95 7.2 Методы уменьшения систематических погрешностей измерений……….…96 7.2.1 Введение поправок……………………………………………………………….…..96 7.2.2 Специальные методы измерения……………………………………………….…97 7.3 Конструктивные, структурные и алгоритмические методы уменьшения погрешностей…………………………………………………………………….…97 7.3.1 Метод отрицательной обратной связи……………………………………..….98 7.3.2 Методы вспомогательных измерений ……………………………………….…99 7.3.3 Итерационные методы……………………………………………………….…..101 7.3.4 Методы образцовых мер………………………………………………………….103 4 7.3.5 Тестовые методы………………………………………………………………….104 8 Грубые погрешности и методы их исключения…………………………...109 8.1 Понятие о грубых погрешностях………………………………………….....109 8.2 Критерии исключения грубых погрешностей………………………………110 9 Суммирование погрешностей………………………………………………..114 9.1 Основы теории суммирования погрешностей………………………………114 9.2 Суммирование систематических погрешностей……………………………116 9.3 Суммирование случайных погрешностей…………………………………...118 9.4 Суммирование систематических и случайных погрешностей……………..120 9.5 Критерий ничтожно малой погрешности……………………………………120 10 Метрологическое обеспечение измерений…………………………….…..123 10.1 Основы метрологического обеспечения………………………………..….123 10.2 Государственная система обеспечения единства измерений………….….125 10.3 Требования к измерениям, единицам величин, эталонам единиц величин, стандартным образцам, средствам измерений………………………………….128 10.3.1 Требования к измерениям………………………………………………………..128 10.3.2 Требования к единицам величин………………………………………………..129 10.3.3 Требования к эталонам единиц величин……………………………………...130 10.3.4 Требования к стандартным образцам……………………………………….130 10.3.5 Требования к средствам измерений…………………………………………...130 10.4 Государственное регулирование в области обеспечения единства измерений……………………………………………………………………….…131 10.4.1 Утверждение типа стандартных образцов или типа средств измерений………………………………………………………………….……132 10.4.2 Поверка средств измерений…………………………………………………….133 10.4.3 Калибровка средств измерений………………………………………………..135 10.4.4 Метрологическая экспертиза……………………………………………….…136 10.4.5 Государственный метрологический надзор………………………………...136 10.4.6 Федеральные органы исполнительной власти, осуществляющие государственный метрологический надзор……………………………………….…137 10.4.7 Аккредитация в области обеспечения единства измерений………….….138 10.5 Организационные основы обеспечения единства измерений…………….139 10.6 Международные метрологические организации…………………………..143 11 Основы технического регулирования……………………………………..146 11.1 Федеральный закон Российской Федерации «О техническом регулировании»…………………………………………………………………...147 11.1.1 Сфера применения Федерального закона………………………………….…148 5 11.1.2 Принципы технического регулирования……………………………………...148 11.1.3 Законодательство Российской Федерации о техническом регулировании…………………………………………………………..149 11.2 Технические регламенты……………………………………………………150 11.2.1 Цели принятия технических регламентов…………………………………..150 11.2.2 Содержание и применение технических регламентов……………………150 11.2.3 Порядок разработки, принятия, изменения и отмены технического регламента………………………………………………………………………………….154 11.2.4 Государственный контроль (надзор) за соблюдением требований технических регламентов ………………………………………………………………155 11.2.5 Объекты государственного контроля (надзора) за соблюдением требований технических регламентов……………………………………………….155 11.2.6 Полномочия органов государственного контроля ……………………….156 11.2.7 Ответственность за несоответствие продукции или связанных с требованиями к ней процессов проектирования (включая изыскания), производства, строительства, монтажа, наладки, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации и утилизации требованиям технических регламентов………………………………………………………………158 12 Стандартизация………………………………………………………………160 12.1 Федеральный закон «О стандартизации в Российской Федерации»….….160 12.1.1 Основные понятия………………………………………………………………..162 12.1.2 Цели и задачи стандартизации…………………………………………….….161 12.1.3 Принципы стандартизации…………………………………………………….164 12.1.4 Направления государственной политики Российской Федерации в сфере стандартизации…………………………………………………………….….165 12.1.5 Федеральный орган исполнительной власти, осуществляющий функции по выработке государственной политики и нормативно-правовому регулированию в сфере стандартизации………………………………………….…165 12.1.6 Федеральный орган исполнительной власти в сфере стандартизации………………………………………………………………...166 12.1.7 Виды документов по стандартизации……………………………………….168 12.1.7.1 Документы национальной системы стандартизации………………….168 12.1.7.2 Основополагающие национальные стандарты и правила стандартизации…………………………………………………………………………..168 12.1.7.3 Национальные стандарты и предварительные национальные стандарты………………………………………………………………………………….169 12.1.7.4 Рекомендации по стандартизации……………………………………….…169 6 12.1.7.5 Информационно-технические справочники……………………………….170 12.1.7.6 Общероссийские классификаторы………………………………………….170 12.1.7.7 Стандарты организаций и технические условия………………………..170 12.1.7.8 Своды правил…………………………………………………………………. .. 171 12.1.8 Общие правила применения документов национальной системы стандартизации…………………………………………………………………………..171 12.1.9 Применение ссылок на национальные стандарты и информационнотехнические справочники в нормативных правовых актах 171 12.1.10 Информационное обеспечение национальной системы стандартизации……………………………………………………………...173 12.1.11 Федеральный информационный фонд стандартов………………………173 12.1.12 Международное и региональное сотрудничество в сфере стандартизации…………………………………………………………………………..174 12.2 Международные организации по стандартизации………………………...175 12.3 Научно-технические принципы и методы стандартизации………..….….178 12.3.1 Общие сведения……………………………………………………………………178 12.3.2 Принципы, определяющие научно-техническую организацию работ по стандартизации……………………………………………………………………….179 12.3.3 Методы стандартизации……………………………………………………....180 12.3.4 Работы, выполняемые при стандартизации……………………………….184 13 Подтверждение соответствия…………………………………………….....188 13.1 Цели, принципы и формы подтверждения соответствия…………………189 13.1.1 Цели подтверждения соответствия…………………………………………189 13.1.2 Принципы подтверждения соответствия………………………………….189 13.1.3 Формы подтверждения соответствия…………………………………...…190 13.2 Добровольное подтверждение соответствия. Знак соответствия………...190 13.2.1 Добровольное подтверждение соответствия……………………………..190 13.2.2 Знаки соответствия……………………………………………………………..192 13.3 Обязательное подтверждение соответствия. Знак обращения на рынке...193 13.3.1 Обязательное подтверждение соответствия……………………………..193 13.3.2 Декларирование соответствия………………………………………………..193 13.3.3 Обязательная сертификация…………………………………………………..196 13.3.4 Организация обязательной сертификации………………………………….198 13.3.5 Знак обращения на рынке………………………………………………………..199 13.3.6 Права и обязанности заявителя в области обязательного подтверждения соответствия………………………………………………………..200 13.3.7 Система сертификации. Схемы сертификации……………………………201 7 13.4 Основные стадии сертификации……………………………………………202 ПРИЛОЖЕНИЕ А Примеры решения задач……………………………………205 СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ……………………………...214 8 ВВЕДЕНИЕ Развитие экономики невозможно без повышения конкурентоспособности товаров и услуг. Одним из важнейших факторов, влияющих на конкурентоспособность продукции, работ и услуг, является их качество. Стандартизация, метрология, технические измерения и сертификация являются инструментами обеспечения качества. На основе стандартизации сформированы принципы и нормативные акты метрологии, технических измерений, систем управления качеством и сертификации. Международная организация по стандартизации определяет качество как совокупность свойств и характеристик продукции или услуги, которые придают им способность удовлетворять обусловленные или предполагаемые потребности. Требования к качеству на международном уровне определены стандартами ИСО серии 9000. В 2015 году принят Закон Российской Федерации «О стандартизации в Российской Федерации», который приближает организацию стандартизации в Российской Федерации к международным правилам. Метрология – наука об измерениях, а измерения являются одним из важнейших путей познания природы человеком. Они дают количественную характеристику окружающего мира, открывая человеку действующие в природе закономерности. Математика, механика, физика стали именоваться точными науками потому, что благодаря измерениям они получили возможность устанавливать точные количественные соотношения, выражающие объективные законы природы. Д. И. Менделеев выразил значение измерений для науки следующим образом: «Наука начинается с тех пор, как начинают измерять. Точная наука немыслима без меры». В наше время наука, промышленность, экономика и коммуникации не могут существовать без развернутой системы измерений, определяющих как все технологические процессы, контроль и управление ими, так и свойства и качество выпускаемой продукции. Для полноценного функционирования любого предприятия требуется соответствующее его профилю метрологическое обеспечение. Значимость метрологического обеспечения очевидна, так как примерно 15 % затрат общественного труда расходуется на проведения измерений. По оценкам экспертов, от 3 до 9 % валового национального продукта индустриальных стран приходится на измерения и связанные с ними операции. Оценка качества продукции, соответствия изготовленной продукции требованиям технической документации, меха- 9 низация и автоматизация технологических процессов, управления и регулирования связаны с измерениями и измерительной техникой. Большое значение для регулирования механизмов рыночной экономики приобрела сертификация. Сертификация является официальным подтверждением соответствия стандартам и во многом определяет конкурентоспособность продукции. В учебном пособии рассмотрены основные вопросы метрологии, стандартизации и подтверждения соответствия, которые необходимы при подготовке бакалавров и магистров по направлению подготовки «Автоматизация технологических процессов». 10 1 Предмет и задачи метрологии 1.1 Предмет метрологии Общепринятое определение метрологии дано в РМГ 29-1013 «ГСИ. Метрология. Основные термины и определения»: метрология – наука об измерениях, методах, средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Греческое слово «метрология» образовано от слов «метрон» – мера и «логос» – учение. Предметом метрологии является извлечение количественной информации о свойствах объектов и процессов с заданной точностью и достоверностью. Основное понятие метрологии – измерение. Согласно РМГ 29-1013, измерение – это процесс экспериментального получения одного или более значений величины, которые могут быть обоснованно приписаны величине. Значимость измерений выражается в трех аспектах: философском, научном и техническом. 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. 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. 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. Все это составляет технический аспект измерений. Единство измерений – состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах величин или в значениях по установленным шкалам измерений, а показатели точности измерений не выходят за установленные границы. Точность измерений – близость измеренного значения к истинному значению измеряемой величины. Метрология делится на три самостоятельных и взаимно дополняющих раздела. Основным из них является «Теоретическая метрология», предметом которого является разработка фундаментальных основ метрологии. Предметом раздела «Законодательная метрология» является установление обязательных 11 технических и юридических требований по применению единиц величин, эталонов, методов и средств измерений, направленных на обеспечение единства и требуемой точности измерений (СИ). Предметом раздела «Прикладная метрология» являются вопросы практического применения разработок теоретической метрологии и положений законодательной метрологии. 1.2 Структура теоретической метрологии Как отмечалось выше, теоретическая метрология является основным разделом метрологии. Ее структура представлена в виде схемы на рисунке 1.1. Основные представления метрологии. Как и в любой науке, в метрологии необходимо сформулировать основные понятия, термины и постулаты, разработать учение о физических единицах и методологию. Данный раздел особенно важен ввиду того, что в основе отдельных областей измерений лежат специфические представления и в теоретическом плане области развиваются изолированно. При этих условиях недостаточная разработанность основных представлений заставляет решать аналогичные задачи, которые, по сути, являются общими, заново в каждой области. Основные понятия и термины. Этот подраздел занимается обобщением и уточнением понятий, сложившихся в отдельных областях измерений с учетом специфики метрологии. Главной задачей является создание единой системы основных понятий метрологии, которая должна служить базой для ее развития. Постулаты метрологии. В этом подразделе развивается аксиоматическое построение теоретических основ метрологии, выделяются такие постулаты, на основе которых можно построить содержательную и полную теорию и вывести важные практические следствия. Учение о физических величинах. Основной задачей подраздела является построение единой системы физических величин (ФВ), т. е. выбор основных величин системы и уравнений связи для определения производных величин. Методология измерений. В подразделе разрабатывается научная организация измерительных процессов. Вопросы метрологической методологии являются весьма существенными, поскольку она объединяет области измерений, различные по физической природе измеряемых величин и методам измерений. Теория единства измерений (теория воспроизведения единиц физических величин и передачи их размеров). Этот раздел традиционно является центральным в теоретической метрологии. Он включает в себя: теорию единиц ФВ, теорию исходных средств измерений (эталонов) и теорию передачи размеров еди12 ниц ФВ. Теория единиц физических величин. Основная цель подраздела – совершенствование единиц ФВ в рамках существующей системы величин, заключающееся в уточнении и переопределении единиц. Теория исходных средств измерений (эталонов). В данном подразделе рассматриваются вопросы создания рациональной системы эталонов единиц ФВ, обеспечивающих требуемый уровень единства измерений. Теория передачи размеров единиц физических величин. Предметом изучения подраздела являются алгоритмы передачи размеров единиц ФВ при централизованном и децентрализованном их воспроизведении. Теория построения средств измерений. В разделе обобщается опыт конкретных наук в области построения средств и методов измерений. Теория точности измерений. В данном разделе метрологии обобщены методы, развиваемые в конкретных областях измерений. Он состоит их трех подразделов: теории погрешностей, теории точности средств измерений и теории измерительных процедур. Теория погрешностей. Этот подраздел является одним из центральных в метрологии, поскольку результаты измерений объективны настолько, насколько правильно оценены их погрешности. Предметом теории погрешностей является классификация погрешностей измерений, изучение и описание их свойств. Теория точности средств измерений. Подраздел включает: теорию погрешностей средств измерений, принципы и методы определения и нормирования метрологических характеристик средств измерений, методы анализа их метрологической надежности. Теория погрешностей средств измерений наиболее детально разработана в метрологии. Значительные знания накоплены и в конкретных областях измерений, на их основе развиты общие методы расчета погрешностей СИ. Принципы и методы определения и нормирования метрологических характеристик средств измерений достаточно хорошо разработаны. Однако они требуют модификации с учетом специфики метрологии и в первую очередь тесной связи определения метрологических характеристик СИ с их нормированием. Теория метрологической надежности средств измерений по своей целевой направленности связана с общей теорией надежности. Однако специфика метрологических отказов и, прежде всего, непостоянство во времени их интенсивности делают невозможным автоматическое перенесение методов классической теории надежности в теорию метрологической надежности. 13 Теория измерительных процедур. Повышение сложности измерительных задач, постоянный рост требований к точности измерений, усложнение методов и средств измерений обуславливают проведение исследований, направленных на обеспечение рациональной организации и эффективного выполнения измерений. Теория методов измерений – подраздел, посвященный разработке новых методов измерений и модификации существующих, что связано с ростом требований к точности измерений, диапазонам, быстродействию, условиям проведения измерений. Методы обработки измерительной информации, используемые в метрологии, основываются на методах, которые заимствуются из математики, физики и других дисциплин. Теория планирования измерений – область метрологии, которая весьма активно развивается. К числу ее основных задач относятся уточнение метрологического содержания задач планирования измерений и обоснование заимствований математических методов из общей теории планирования эксперимента. Анализ предельных возможностей измерений на данном уровне развития науки и техники позволяет решить такую главную задачу, как исследование предельной точности измерений при помощи конкретных типов или экземпляров средств измерений. 14 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МЕТРОЛОГИЯ Основные понятия и термины Постулаты метрологии Основные представления метрологии Учение о физических величинах Методология измерений Теория единства измерений (теория воспроизведения единиц физических величин и передачи их размеров) Теория единиц физических величин Теория исходных средств измерений (эталонов) Теория передачи размеров единиц физических величин Средства измерений Теория построения средств измерений Методы измерений Теория погрешностей измерений Теория точности средств измерений Теория погрешностей средств измерений Принципы и методы определения и нормирования метрологических характеристик средств измерений Теория метрологической надежности средств измерений Теория методов измерений Методы обработки измерительной информации Теория точности измерений Теория планирования измерений Теория измерительных процедур Анализ предельных возможностей измерений Рисунок 1.1 – Структура теоретической метрологии 15 Контрольные вопросы к главе 1 Дайте определение метрологии. В чем заключается значимость метрологии? Каково место метрологии среди других наук? Назовите основные разделы метрологии. Обоснуйте важность теоретической метрологии. Перечислите, из каких основных разделов состоит теоретическая метрология. Какие задачи в них решаются? 7. Что изучает теоретическая метрология? 8. Что такое измерение? Приведите примеры измерений, постоянно встречающихся в повседневной жизни. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 16 2 Физические величины. Единицы физических величин 2.1 Физические величины Все объекты окружающего мира характеризуются своими 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. Свойство – категория качественная. Для количественного описания различных свойств процессов и физических тел вводится понятие «величина». Величина – это свойство материального объекта или явления, общее в качественном отношении для многих объектов или явлений, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них. Величина не существует сама по себе, она имеет место лишь постольку, поскольку существует объект со свойствами, выраженными данной величиной. Величины можно разделить на два вида: реальные и идеальные (рисунок 2.1). Идеальные величины относятся к математике. Реальные величины делятся, в свою очередь, на физические и нефизические. Физическая величина (ФВ) может быть определена как величина, свойственная материальным объектам (процессам, явлениям), изучаемым в естественных (физика, химия) и технических науках. К нефизическим следует отнести величины, присущие общественным наукам: философии, социологии, экономике (рисунок 2.1). Физические величины разделяют на измеряемые и оцениваемые. Измеряемые выражены количественно в виде определенного числа установленных единиц измерения. Физические величины, для которых по тем или иным причинам не может быть введена единица измерения, могут быть только оценены. Величины оцениваются при помощи шкал. Шкала величины – упорядоченная последовательность ее значений, принятая по соглашению на основании результатов точных измерений. Шкала наименований (шкала классификации). Такие шкалы используются для классификации эмпирических объектов, свойства которых проявляются только в отношении эквивалентности. Эти свойства нельзя считать физическими величинами, поэтому шкалы такого вида не являются шкалами ФВ. Это самый простой тип шкал, основанный на приписывании качественным свойствам объектов чисел, играющих роль имен. 17 ВЕЛИЧИНЫ Реальные Идеальные Физические Нефизические Измеряемые Оцениваемые Математические Рисунок 2.1 – Классификация величин В шкалах наименований, в которых отнесение отражаемого свойства к тому или иному классу эквивалентности осуществляется с помощью органов чувств человека, это наиболее адекватный результат, выбранный большинством экспертов. Поскольку данные шкалы характеризуются только отношением эквивалентности, то в них отсутствуют понятия нуля, «больше» или «меньше» и единицы измерения. Примером шкал наименований являются широко распространенные атласы цветов, предназначенные для идентификации цвета. Шкала порядка (шкала рангов). Если свойство данного эмпирического объекта проявляет себя в отношении эквивалентности и порядка по возрастанию или убыванию количественного проявления свойства, то для него может быть построена шкала порядка. Она является монотонно возрастающей или убывающей и позволяет установить отношение больше/меньше между величинами, характеризующими указанное свойство. В шкалах порядка существует или не существует нуль, но принципиально нельзя ввести единицы измерения, так как для них не установлено отношение пропорциональности и, соответственно, нет возможности судить, во сколько раз больше или меньше конкретные проявления свойства. В случаях, когда уровень познания явления не позволяет точно установить отношения, существующие между величинами данной характеристики, либо применение шкалы удобно и достаточно для практики, используют условные (эмпирические) шкалы порядка. Условная шкала – это ФВ, исходные значения которой выражены в условных единицах, например шкала вязкости Энглера, 12-балльная шкала Бофорта для измерения силы морского ветра. 18 Шкала интервалов (шкала разностей). Эти шкалы являются дальнейшим развитием шкал порядка и применяются для объектов, свойства которых удовлетворяют отношениям эквивалентности, порядка и аддитивности. Шкала интервалов состоит из одинаковых интервалов, имеет единицу измерения и произвольно выбранное начало – нулевую точку. К таким шкалам относится летосчисление по различным календарям, в которых за начало отсчета принято либо сотворение мира, либо Рождество Христово и т. д. Температурные шкалы Цельсия, Фаренгейта и Реомюра также являются шкалами интервалов. На шкале интервалов определены действия сложения и вычитания интервалов. Действительно, по шкале времени интервалы можно суммировать или вычитать и сравнивать, во сколько раз один интервал больше другого, но складывать даты каких-либо событий бессмысленно. Шкалу интервалов величины Q можно представить в виде уравнения Q = Q0 + q[Q], где q – числовое значение величины; Q0 – начало отсчета шкалы; [Q] – единица рассматриваемой величины. Такая шкала полностью определяется заданием начала отсчета Q0 шкалы и единицы данной величины [Q]. Шкала отношений. Эти шкалы описывают свойства эмпирических объектов, которые удовлетворяют отношениям эквивалентности, порядка и аддитивности (шкалы второго рода – аддитивные), а в ряде случаев и пропорциональности (шкалы первого рода – пропорциональные). Их примерами являются шкала массы (второго рода), термодинамической температуры (первого рода). В шкалах отношений существует однозначный естественный критерий нулевого количественного проявления свойства и единица измерений. С формальной точки зрения шкала отношений является шкалой интервалов с естественным началом отсчета. К значениям, полученным по этой шкале, применимы все арифметические действия, что имеет важное значение при измерении ФВ. Шкалы отношений – самые совершенные. Они описываются уравнением Q = q[Q], где Q – ФВ, для которой строится шкала; [Q] – ее единица измерения; q – числовое значение ФВ. Переход от одной шкалы отношений к другой происходит в соответствии с уравнением q2 = q1 [Q1] / [Q2]. Абсолютные шкалы. Под абсолютными шкалами понимают шкалы, обладающие всеми признаками шкал отношений, но дополнительно имеющие естественное однозначное определение единицы измерения и не зависящие от принятой системы единиц измерения. Такие шкалы соответствуют относительным величинам: коэффициенту усиления, ослабления и др. Для образования многих 19 производных единиц в системе СИ используются безразмерные и счетные единицы абсолютных шкал. Для более детального изучения ФВ необходимо классифицировать (рисунок 2.2) и выявить общие метрологические особенности их отдельных групп. По видам явлений ФВ делятся на следующие группы: вещественные, т. е. описывающие физические или физико-химические свойства веществ, материалов и изделий из них. К этой группе относится масса, плотность, электрическое сопротивление, емкость, индуктивность и др. Иногда указанные ФВ называют пассивными; энергетические, т. е. величины, описывающие энергетические характеристики процессов преобразования, передачи и использования энергии. К ним относятся ток, напряжение, мощность, энергия. Эти величины называются активными. Они могут быть преобразованы в сигналы измерительной информации без использования источников энергии; характеризующие протекание процессов во времени. К этой группе относятся различного рода спектральные характеристики, корреляционные функции и др. По принадлежности к различным группам физических процессов ФВ делятся на пространственно-временные, механические, тепловые, электрические и магнитные, акустические, световые, физико-химические, ионизирующих излучений, атомной и ядерной физики. По степени условной независимости от других величин данной группы ФВ делятся на основные (условно независимые), производные (условно зависимые) и дополнительные. В настоящее время в системе СИ используется семь ФВ, выбранных в качестве основных: длина, время, масса, температура, сила электрического тока, сила света и количество вещества. К дополнительным ФВ относятся плоский и телесный углы. По наличию размерности ФВ делятся на размерные, т. е. имеющие размерность, и безразмерные. Размер физической величины – количественная определенность физической величины, присущая конкретному материальному объекту, системе, явлению или процессу. Значение физической величины – выражение размера величины в виде некоторого числа принятых единиц, или чисел, баллов по соответствующей шкале измерений. Числовое значение физической величины q – отвлеченное число, входящее в значение величины. 20 21 Рисунок 2.2 – Классификация физических величин Уравнение Q = q[Q] называют основным уравнением измерения. Суть простейшего измерения состоит в сравнении ФВ Q с размерами выходной величины регулируемой многозначной меры q[Q]. В результате сравнения устанавливают, что q[Q] < Q < (q + 1)[Q]. 2.2 Системы физических величин и их единиц. Международная система единиц (система СИ) Для каждой физической величины должна быть установлена единица измерения. При этом необходимо учитывать, что физические величины связаны между собой зависимостями. Их совокупность образует систему физических величин. По определению, система физических величин – согласованная совокупность величин и уравнений связи между ними, образованная в соответствии с принятыми принципами, когда одни величины условно принимают за независимые, а другие определяют как функции независимых величин. Различают основные и производные физические величины. Основная величина – одна из величин подмножества, условно выбранного для данной системы величин так, что никакая из величин этого подмножества не может выражаться через другие величины. Производная величина – величина, входящая в систему величин и определяемая через основные величины этой системы. Система величин – согласованная совокупность величин и уравнений связи между ними, образованная в соответствии с принятыми принципами, когда одни величины условно принимают за независимые, а другие определяют как функции независимых величин. Единица измерения величины – величина фиксированного размера, которой присвоено числовое значение, равное 1, определяемая и принимаемая по соглашению для количественного выражения однородных с ней величин. При выбранной единице измерения результат измерения можно записать в виде формулы: (2.1) Q a[q ] , где Q – измеряемая величина; q – единица измерения; a – числовое значение измеряемой величины. Измеряемая физическая величина – физическая величина, подлежащая измерению, измеряемая или измеренная в соответствии с основной целью измерительной задачи. 22 Различают два типа уравнений. 1. Уравнения связи между величинами – уравнения, отражающие законы природы, в которых под буквенными символами понимаются ФВ. Они могут быть записаны в виде, не зависящем от набора единиц измерений: Q KX aY b Z g ... (2.2) 2. Уравнения связи между числовыми значениями физических величин – уравнения, в которых под буквенными символами понимают числовые значения величин, соответствующие выбранным единицам. Вид этих уравнений зависит от выбранных единиц измерения. Они могут быть записаны в виде: (2.3) Q Ke KX aY b Z g ... , где K e – числовой коэффициент, зависящий от выбранной системы единиц. Международная система единиц СИ – система единиц, основанная на Международной системе величин, вместе с наименованиями и обозначениями, а также набором приставок и их наименованиями и обозначениями вместе с правилами их применения, принятая Генеральной конференцией по мерам и весам (ГКМВ). Основные единицы Международной системы единиц были выбраны в 1954 году Х Генеральной конференцией по мерам и весам. Единая международная система единиц (система СИ) была принята XI Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 году. На территории нашей страны система единиц СИ действует с 1 января 1982 года в соответствии с ГОСТ 8.417-81. В 1971 году XIV Генеральная конференция по мерам и весам приняла седьмую основную единицу СИ – единицу количества вещества – моль. Основные единицы СИ с указанием сокращенных обозначений русскими и латинскими буквами приведены в таблице 2.1. Система СИ – единственная система единиц ФВ, которая принята и используется в большинстве стран мира. Международная система единиц имеет ряд достоинств, важнейшими из которых являются: универсальность – охват всех областей науки, техники, народного хозяйства; унификация единиц для всех видов измерений; так, вместо ряда единиц давления (атмосфера, миллиметр ртутного столба, миллиметр водяного столба, бар, пьеза, дина на квадратный сантиметр и др.) в СИ применяется единая единица давления – паскаль; вместо ряда единиц работы и энергии (эрг, калория, килокалория, киловатт-час, электрон-вольт и др.) одна единица для измерения работы и всех видов энергии – джоуль; 23 применение удобных для практики основных и большинства производных единиц (площади – квадратный метр, объема – кубический метр, электрического напряжения – вольт, электрического сопротивления – ом и др.); когерентность (связность, согласованность) системы; коэффициенты пропорциональности в физических уравнениях, определяющих единицы производных величин, равны безразмерной единице; четкое разграничение в СИ единиц массы (килограмма) и силы (ньютона); упрощение записи уравнений и формул, отсутствие в них переводных коэффициентов, появлявшихся в связи с тем, что величины, входящие в эти формулы, давались в разных системах единиц; облегчение педагогического процесса в средней и высшей школе (отпадает необходимость подробного изучения множества систем единиц и внесистемных единиц). Таблица 2.1 – Основные единицы ФВ системы СИ Величина Основные Длина Масса Время Сила электрического тока Термодинамическая температура Сила света Количество вещества Единица измерения Символ размерности Обозначение метр килограмм секунда ампер кельвин L M T I θ м кг с А К кандела моль J N кд моль Определения основных единиц, соответствующие решениям Генеральной конференции по мерам и весам, следующие. Метр – величина метра устанавливается фиксацией численного значения скорости света в вакууме равным в точности 299 792 458, когда она выражена единицей СИ м·с−1. Секунда – величина секунды устанавливается фиксацией численного значения частоты сверхтонкого расщепления основного состояния атома цезия-133 при температуре 0 К равной в точности 9 192 631 770, когда она выражена единицей СИ с−1, что эквивалентно Гц. 24 Килограмм – величина килограмма устанавливается фиксацией численного значения постоянной Планка h равным в точности 6,626 070 15 × 10−34, когда она выражена в Дж·с. Одна из главных ФВ, используемых при описании тепловых процессов, – температура Т. Температура измеряется в кельвинах. Кельвин – величина кельвина устанавливается фиксацией численного значения постоянной Больцмана k равным в точности 1,380 649 × 10−23, когда она выражена в Дж/К. Ампер – величина ампера устанавливается фиксацией численного значения элементарного заряда e равным 1,602 176 634 × 10−19, когда он выражен в кулонах. Кандела – величина канделы устанавливается фиксацией численного значения световой эффективности монохроматического излучения частотой 540·1012 Гц равной в точности 683, когда она выражена единицей СИ м−2·кг−1·с3·кд·ср или кд·ср·Вт−1, что эквивалентно лм·Вт−1. Моль – один моль содержит ровно 6,022 140 76 × 1023 элементов. Это число – фиксированное значение постоянной Авогадро NA, выраженной в единицах моль−1, и называется числом Авогадро. Международная система единиц включает в себя две дополнительные единицы – для измерения плоского и телесного углов. Угловые единицы не могут быть введены в число основных, так как это вызвало бы затруднение в трактовке размерностей величин, связанных с вращением (дуги окружности, площади круга, работы пары сил и т. д.). Вместе с тем они не являются и производными единицами, так как не зависят от выбора основных единиц. Действительно, при любых единицах длины размеры радиана и стерадиана остаются неизменными. Единица плоского угла – радиан (рад) – угол между двумя радиусами окружности, дуга между которыми по длине равна радиусу. В градусном исчислении радиан равен 57° 17' 44,8". Стерадиан (ср), принимаемый за единицу телесного угла, – телесный угол, вершина которого расположена в центре сферы и который вырезает на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, по длине равной радиусу сферы. Производные единицы Международной системы образуются на основании законов, устанавливающих связь между физическими величинами, или на основании определений физических величин. 25 Соответствующие производные единицы СИ выводятся из уравнения связи между величинами (определяющего уравнения), выражающего данный физический закон или определение, если другие величины выражаются в единицах СИ. Различают кратные и дольные единицы ФВ. Кратные единицы – это единицы ФВ, в целое число раз превышающие системную или внесистемную единицу. Например, единица длины километр равна 103, т. е. кратна метру. Дольная единица – единица ФВ, значение которой в целое число раз меньше системной или внесистемной единицы. Например, единица длины миллиметр равна 10-3 метра, т. е. является дольной. Приставки для образования кратных и дольных единиц СИ приведены в таблице 2.2. Таблица 2.2 – Множители и приставки для образования десятичных кратных и дольных единиц и их наименований Множитель Приставка 1018 1015 1012 109 106 103 102 101 экса пета тера гига мега кило гекто дека Обозначение приставки междунар. рус. Е Э Р П Е Т G Г M М k к h г da да Множитель Приставка 10-1 10-2 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18 деци санти милли микро нано пико фемто атто Обозначение приставки междунар. рус. d д c с m м μ мк n н p п f ф a а 2.3 Воспроизведение единиц физических величин и передача их размеров При проведении измерений необходимо обеспечить их единство. Под единством измерения понимается состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах величин или в значениях по установленным шкалам измерений, а показатели точности измерений не выходят за установленные границы. Воспроизведение единиц физических величин – это совокупность операций по материализации единицы величины с помощью первичного эталона. Воспроизведение основной единицы – воспроизведение единицы путем создания фиксированной по размеру величины в соответствии с определением единицы. 26 Воспроизведение производной единицы – воспроизведение единицы величины в соответствии с уравнением связи между данной производной единицей и основными единицами. Эталон – средство измерительной техники, предназначенное для воспроизведения, хранения и передачи единицы величины или шкалы измерений. Различают следующие виды эталонов: первичный – эталон, основанный на использовании первичной референтной методики измерений или созданный как артефакт, выбранный по соглашению. Первичный эталон обеспечивает воспроизведение единицы или шкалы измерений с наивысшей точностью. Метрологические свойства первичных эталонов единиц величин устанавливают независимо от других эталонов единиц этих же величин; международный – эталон, принятый по международному соглашению в качестве международной основы для согласования с ним размеров единиц, воспроизводимых и хранимых национальными эталонами; государственный или национальный – это первичный или специальный эталон, официально утвержденный в качестве исходного для страны; вторичный – эталон, получающий единицу величины или шкалу измерений непосредственно от первичного эталона данной единицы или шкалы; эталон сравнения – эталон, применяемый для сличений эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличены друг с другом; рабочий эталон – эталон, предназначенный для передачи единицы величины или шкалы измерений средствам измерений. При необходимости рабочие эталоны подразделяют на разряды (1-й, 2-й, ..., n-й). В этом случае передачу единицы осуществляют через цепочку соподчиненных по разрядам рабочих эталонов. При этом от последнего рабочего эталона в этой цепочке единицу передают средству измерений. Эталонная база России имеет в своем составе 114 государственных эталонов (ГЭ) и более 250 вторичных эталонов единиц физических величин. Система метрологического надзора за средствами измерений представляет собой комплекс правил, положений и требований технического, экономического и правового характера, определяющих организацию и порядок проведения работ по поверке средств измерений. Поверка средств измерений – установление официально уполномоченным органом пригодности средства измерений к применению на основании 27 экспериментально определяемых метрологических характеристик и подтверждения их соответствия установленным обязательным требованиям. Первичная поверка (средств измерений) – поверка, выполняемая при выпуске средства измерений из производства или после ремонта, а также при ввозе средства измерений из-за границы. Периодическая поверка (средств измерений) – поверка средств измерений, находящихся в эксплуатации или на хранении, выполняемая через установленные интервалы времени между поверками (межповерочные интервалы). Межповерочные интервалы устанавливаются нормативными документами по поверке в зависимости от стабильности того или иного средства измерений и могут составлять от нескольких месяцев до нескольких лет. Внеочередная поверка (средств измерений) – поверка средства измерений, проводимая до наступления срока его очередной периодической поверки. Необходимость внеочередной поверки может возникнуть вследствие разных причин: ухудшение метрологических свойств средства измерений или подозрение в этом, нарушение условий эксплуатации, нарушение поверительного клейма и др. Инспекционная поверка (средств измерений) – поверка, проводимая официально уполномоченным органом при проведении государственного метрологического надзора (контроля) за состоянием и применением средств измерений. Комплектная поверка (средств измерений) – поверка, при которой определяют метрологические характеристики средства измерений, присущие ему как единому целому. Поэлементная поверка (средств измерений) – поверка, при которой значения метрологических характеристик средств измерений устанавливаются по метрологическим характеристикам его элементов или частей. Поэлементную поверку обычно проводят для средств измерений, измерительных систем или измерительных установок, когда неосуществима комплектная поверка. Выборочная поверка (средств измерений) – поверка группы средств измерений, отобранных из партии случайным образом, по результатам которой судят о пригодности всей партии. Калибровка средств измерений – совокупность операций, устанавливающих соотношение между значением величины, полученным с помощью данного средства измерений, и соответствующим значением величины, определенным с помощью эталона, с целью определения метрологических характеристик этого средства измерений. 28 2.4 Поверочные схемы Основные требования к содержанию и построению поверочных схем установлены ГОСТ 8.061-80 «ГСИ. Содержание и построение поверочных схем». Поверочная схема устанавливает порядок передачи размера одной или нескольких взаимосвязанных единиц или шкал физических величин от эталонов рабочим СИ. Поверочные схемы в зависимости от области распространения подразделяются на следующие виды: межгосударственные поверочные схемы; государственные поверочные схемы; локальные поверочные схемы. Межгосударственные поверочные схемы (для стран СНГ) утверждаются Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации. Государственная поверочная схема распространяется на все СИ данной физической величины, применяемые в стране. Локальная поверочная схема распространяется на СИ, подлежащие поверке на данном предприятии, в ведомстве, республике, регионе и др. В соответствии со своей областью распространения локальная поверочная схема может называться поверочной схемой предприятия, ведомственной, республиканской, региональной и т. д. Локальные поверочные схемы не должны противоречить государственным поверочным схемам для СИ тех же физических величин. Они должны конкретизировать требования государственных поверочных схем применительно к своей области распространения. Допускается разработка локальных поверочных схем для видов измерений, не охваченных государственными поверочными схемами. Поверочная схема должна включать не менее двух ступеней передачи размера единиц. Государственную поверочную схему разрабатывает Государственный научный метрологический центр (ГНМЦ), являющийся хранителем государственного эталона единицы соответствующей величины (в случае отсутствия эталона – ГНМЦ, ответственный за данную область измерений). По его предложению государственная схема утверждается в виде государственного стандарта или рекомендации по метрологии. 29 Документы на государственную поверочную схему должны состоять из чертежа поверочной схемы и текстовой части, содержащей пояснения к чертежу. Локальные поверочные схемы разрабатывают метрологические службы предприятий (организаций, министерств, ведомств, республик и т. д.) или другие организации, которым это поручено. Они утверждаются в качестве нормативно-технического или методического документа предприятия (организации, министерства, ведомства, республики и т. д.). Локальная поверочная схема должна быть согласована с предприятием (организацией), осуществляющим поверку исходного эталона, возглавляющего эту схему. Локальную поверочную схему оформляют в виде чертежа. Допускается дополнять чертеж текстовой частью. На чертеже поверочной схемы указывают: наименование групп СИ, номинальные значения или диапазоны значений физических величин, диапазоны важнейших условий измерений, определяющих порядок передачи размера единицы; наименование методов передачи размера единиц; соподчинение СИ в системе передачи размера единицы. Чертеж поверочной схемы должен состоять из полей, расположенных друг под другом и разделенных штриховыми линиями. Поля должны иметь наименования: «Первичный эталон» («Первичные эталоны»); «Вторичные эталоны»; «Эталоны, заимствованные из других государственных поверочных схем»; «Рабочие эталоны n-го разряда» (для каждого разряда отдельное поле); «Рабочие средства измерений». Под полем первичных эталонов располагают поле вторичных эталонов, затем – поле рабочих эталонов 1-го разряда и далее поля рабочих эталонов последующих разрядов. Допускается при необходимости под полем вторичных эталонов располагать поле рабочих эталонов 0-го разряда (например, если при пересмотре государственной поверочной схемы необходимо предусмотреть дополнительную ступень передачи размера единицы эталонам 1-го разряда). Верхнее поле чертежа локальной поверочной схемы должно иметь наименование «Исходные эталоны». Разряды рабочих эталонов, указываемые в локальных поверочных схемах, должны соответствовать разрядам, присвоенным этим эталонам в государственной поверочной схеме. 30 Число полей зависит от структуры поверочной схемы. Методика количественного обоснования структуры и параметров поверочных схем изложена в рекомендации МИ 2230-92 «ГСИ. Методика количественного обоснования поверочных схем при их разработке». Наименование полей указывают в левой части чертежа, отделенной вертикальной сплошной линией. Наименование первичного эталона заключают в прямоугольник, образованный двойной линией. Наименование вторичных эталонов, рабочих эталонов и рабочих СИ указывают в прямоугольниках, образованных одинарной линией. Наименование методов передачи размера единиц заключают в горизонтальные овалы, которые располагают между наименованиями объектов поверки и СИ, от которых передают размер. Методы передачи размера единиц, указываемые на поверочных схемах, с целью унификации должны соответствовать одному из следующих общих методов: непосредственное сличение (т. е. без средств сравнения); сличение при помощи компаратора (т. е. при помощи средств сравнения); метод прямых измерений; метод косвенных измерений. При указании метода передачи размера единиц допускается в текстовой части отражать специфику поверки СИ. Передачу размера единицы сверху вниз изображают сплошными линиями, соединяющими объекты поверки с соответствующими средствами поверки. В разрыв этих линий помещают овалы с указанием методов передачи размера единиц. Овалы располагают в разрывах штриховых линий, разделяющих соответствующие поля схемы. Размеры элементов поверочной схемы должны быть одинаковыми в пределах одного поля. Текстовая часть поверочной схемы должна состоять из вводной части и пояснений к элементам поверочной схемы, несущих дополнительную информацию. Пример компоновки государственной поверочной схемы приведен на рисунке 2.3. 31 1 Эталоны 2 2 3 4 2 5 2 Рабочие эталоны 1-го разряда 6 2 Рабочие эталоны 2-го разряда 7 2 2 Рабочие эталоны, заимствованные из других поверочных схем 9 2 9 2 Рабочие эталоны 3-го разряда Рабочие средства измерений 2 10 10 8 8 8 8 2 2 2 2 10 10 10 10 10 10 10 Рисунок 2.3 – Государственная поверочная схема: 1 – государственный эталон; 2 – метод передачи размера единицы; 3 – эталон-копия; 4 – эталон сравнения (для международных сличений); 5 – рабочий эталон; 6–8 – рабочие эталоны соответствующих разрядов; 9 – рабочие эталоны, заимствованные из других поверочных схем; 10 – рабочие СИ 32 Контрольные вопросы к главе 2 1. Приведите классификации величин. Дайте определение величины. 2. По каким признакам классифицируются физические единицы? 3. Сформулируйте определение единицы ФВ. Приведите примеры единиц физических величин, относящихся к механике, магнетизму и оптике. 4. Дайте определение шкалы. 5. Какие типы шкал вы знаете? 6. Что такое размерность физической величины? Запишите размерность следующих физических величин: паскаля, генри, ома, фарады и вольта. 7. Приведите основное уравнение измерений. 8. Дайте определения системы физических величин и системы единиц физических величин. Приведите примеры основных и производных физических величин и единиц. 9. Сформулируйте основные принципы построения систем единиц физических величин. 10. Назовите основные единицы системы СИ. 11. Назовите производные единицы системы СИ, имеющие специальное название. 12. Какие внесистемные единицы допущены к применению наравне с единицами системы СИ? 13. Назовите приведенные значения физических величин, используя кратные и дольные приставки: 5,3·1012 Ом; 10,4·1012 Гц; 2,56·107 Па; 4,67·104 Ом; 0,067 м; 0,0098 с; 7,65·10-3 с; 6,34·10-6 Ф; 45,6·10-9 с; 12,3·10-12 Ф. 14. В чем заключается единство измерений? 15. Что такое эталон единицы ФВ? Какие виды эталонов вам известны? 16. В каком случае производится калибровка СИ? 17. Что такое градуировка СИ? 18. Что такое поверка средств измерений? 19. Что такое поверочная схема и для чего она предназначена? Какие существуют виды поверочных схем? 33 3 Виды и методы измерений 3.1 Основные характеристики измерений Измерение является важнейшим понятием в метрологии. Измерение (величины) – это процесс экспериментального получения одного или более значений величины, которые могут быть обоснованно приписаны величине. Основные понятия: измеряемая величина – величина, подлежащая измерению; объект измерения – материальный объект или явление, которые характеризуются одной или несколькими измеряемыми и влияющими величинами; результат (измерения величины) – множество значений величины, приписываемых измеряемой величине вместе с любой другой доступной и существенной информацией; измеренное значение (величины) – значение величины, которое представляет собой результат измерения; принцип измерений – явление материального мира, положенное в основу измерения; метод измерений – прием или совокупность приемов сравнения измеряемой величины с ее единицей или соотнесения со шкалой в соответствии с реализованным принципом измерений; методика (выполнения) измерений – установленная логическая последовательность операций и правил при измерении, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений в соответствии с принятым методом измерений; точность измерений; точность результата измерения – близость измеренного значения к истинному значению измеряемой величины. Понятие «точность измерений» описывает качество измерений в целом, объединяя понятия «правильность» и «прецизионность измерений»; погрешность (результата измерения) – разность между измеренным значением величины и опорным значением величины. Если опорное значение величины известно, как, например, при калибровке средств измерений, то известно и значение погрешности измерения. Если в качестве опорного значения выступает истинное значение величины, то значение погрешности неизвестно. Погрешность измерения равна сумме случайной и систематической погрешностей; 34 правильность (измерений) – близость среднего арифметического бесконечно большого числа повторно измеренных значений величины к опорному значению величины. Правильность измерений не является величиной и поэтому не может быть выражена численно, однако соответствующие показатели приведены в ISO 5725. Правильность измерений отражает близость к нулю систематической погрешности измерений; повторяемость измерений – прецизионность измерений в условиях повторяемости измерений. Наряду с термином «повторяемость измерений» используется термин «сходимость измерений». Условия повторяемости (измерений) – один из наборов условий измерений, включающий применение одной и той же методики измерений, того же средства измерений, участие тех же операторов, те же рабочие условия, то же местоположение и выполнение повторных измерений на одном и том же или подобных объектах в течение короткого промежутка времени; прецизионность (измерений) – близость между показаниями или измеренными значениями величины, полученными при повторных измерениях для одного и того же или аналогичных объектов при заданных условиях. Понятие прецизионность измерений используется для определения понятий повторяемости измерений, промежуточной прецизионности измерений и воспроизводимости измерений. Прецизионность измерений характеризует близость к нулю случайной погрешности измерений; воспроизводимость (измерений) – прецизионность измерений в условиях воспроизводимости измерений. Условия воспроизводимости (измерений) – один из наборов условий измерений, включающий разные местоположения, разные средства измерений, участие разных операторов и выполнение повторных измерений на одном и том же или аналогичных объектах. 3.2 Классификация измерений Измерения могут быть классифицированы по ряду признаков. При классификации их исходят из характера зависимости измеряемой величины от времени, вида уравнения измерений, условий, определяющих точность результата измерений, и способа выражения этих результатов. Классификация видов измерений приведена на рисунке 3.1. Виды измерений определяются физическим характером измеряемой величины, требуемой точностью измерения, необходимой скоростью измерения, условиями и режимом измерений и т. д. Из рисунка 3.1 следует, что в метрологии существует 35 множество видов измерений и число их постоянно увеличивается. Можно, например, выделить виды измерений в зависимости от их цели: контрольные, диагностические и прогностические, лабораторные и технические, эталонные и поверочные, абсолютные и относительные и т. д. По способу получения результата измерения подразделяются на прямые, косвенные, совокупные и совместные. Наиболее часто используются прямые измерения. Прямое измерение – измерение, при котором искомое значение величины получают непосредственно от средства измерений. При этом измеряемую величину сравнивают с мерой измерительными приборами, градуированными в требуемых единицах. Уравнение измерений: Q x, (3.1) где Q – искомое значение измеряемой величины; x – значение, полученное из опытных данных. Например, длину измеряют непосредственно линейкой, температуру – термометром, силу – динамометром, напряжение – вольтметром. Косвенное измерение – измерение, при котором искомое значение величины определяют на основании результатов прямых измерений других величин, функционально связанных с искомой величиной. Уравнение измерений: Q f ( x1 , x 2 x n ) , (3.2) где x1 , x 2 x n – величины, измеренные прямыми методами. Например, определение сопротивления цепи по измеряемому току и напряжению или измерение объема тела по прямым измерениям его геометрических размеров. Объем параллелепипеда находят путем умножения трех линейных величин (длины, ширины, и высоты). Совокупные измерения – это проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомое значение величины определяют путем решения системы уравнений, полученных 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). 36 Совместные измерения – это производимые одновременно измерения двух или нескольких не одноименных величин для определения зависимости между ними. В качестве примера совместных измерений можно назвать измерение электрического сопротивления при 20 ℃ и температурных коэффициентов измерительного резистора по данным прямых измерений его сопротивления при различных температурах. В основу разделения измерений на прямые, косвенные, совместные и совокупные может быть положен вид модели измерений. Косвенные, совместные и совокупные измерения объединяются одним принципиально важным свойством: из результата определяются расчетом по известным функциональным зависимостям между измеряемыми величинами и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. По связи с объектом измерения делятся на контактные и бесконтактные. Контактные методы измерения – это методы, при которых чувствительный элемент прибора приводится в контакт с объектом измерения. Примером может служить: измерение диаметра вала измерительной скобой или контроль проходным и непроходным калибрами; измерение температуры тела термометром. Бесконтактные методы измерений – это методы, при которых чувствительный элемент средства измерений не приводится в контакт с объектом измерения. Примером может служить: измерение температуры в доменной печи пирометром; измерение расстояния до объекта радиолокатором. 37 Технические Лабораторные (исследовательские) Многократные Однократные По числу измерений величины По точности оценки погрешности Необходимые Избыточные По степени достаточности измерений Виды измерений По характеру результата измерений По условиям измерений Абсолютные Допусковые (пороговые) Относительные С точным оцениванием погрешности С приближенным оцениванием погрешности По связи с объектом Бесконтактные Контактные Непосредственной оценки Сравнения с мерой Противопоставления Дифференциальный Нулевой Замещения (совпадений) По методу Равноточные Неравноточные По способу получения результата Прямые (непосредственные) Косвенные Совокупные Совместные Динамические Рисунок 3.1 – Классификация видов измерений 38 Приведенные виды измерений включают различные методы, т. е. способы решения измерительной задачи с теоретическим обоснованием и разработкой использования СИ (рисунок 3.2). Метод непосредственной оценки МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ Методы сравнения Дифференциальный Замещения Нулевой Совпадений Рисунок 3.2 – Классификация методов измерения Прямые измерения – основа более сложных измерений, и поэтому целесообразно рассмотреть методы прямых измерений, которые подразделяются на метод непосредственной оценки и метод сравнения с мерой. Метод непосредственной оценки – метод измерений, при котором значение величины определяют непосредственно по показывающему средству измерений. Например, измерение давления пружинным манометром, массы – на весах, силы электрического тока – амперметром. Метод сравнения с мерой – метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Например, измерение массы на рычажных весах с уравновешиванием гирей. Метод дополнения – метод сравнения с мерой, в котором значение измеряемой величины дополняется мерой этой же величины с таким расчетом, чтобы на прибор сравнение воздействовала их сумма, равная заранее заданному значению. Дифференциальный метод измерений – метод измерений, при котором измеряемая величина сравнивается с однородной величиной, имеющей известное значение, незначительно отличающееся от значения измеряемой величины, при котором измеряется разность между этими двумя величинами. 39 Нулевой метод – метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводят до нуля. Например, измерение электрического сопротивления мостом с полным его уравновешиванием. Метод измерения замещением – метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают мерой с известным значением величины. Например, взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашку весов. Кроме того, можно выделить не стандартизованные методы: - метод противопоставления, при котором измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения. Например, измерение массы на равноплечих весах с помещением измеряемой массы и уравновешивающих ее гирь на двух чашках весов; - метод совпадений, где разность между сравниваемыми величинами измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов. Например, при измерении длины штангенциркулем наблюдают совпадение отметок на шкалах штангенциркуля и нониуса. 3.3 Основные этапы измерений Измерение – последовательность сложных и разнородных действий, состоящая из ряда этапов. Первым этапом любого измерения является постановка измерительной задачи. Он включает в себя: сбор данных об условиях измерения и исследуемой ФВ, т. е. накопление априорной информации об объекте измерения и ее анализ; формирование модели объекта и определение измеряемой величины. Измеряемая величина определяется с помощью принятой модели как ее параметр или характеристика; постановку измерительной задачи на основе принятой модели объекта измерения; выбор конкретных величин, посредством которых будет находиться значение измеряемой величины; формулирование уравнения измерения. Вторым этапом процесса измерения является планирование измерения. В общем случае оно выполняется в следующей последовательности: 40 выбор методов измерений непосредственно измеряемых величин и возможных типов СИ; априорная оценка погрешности измерения; определение требований к метрологическим характеристикам СИ и условиям измерений; выбор СИ в соответствии с указанными требованиями; выбор параметров измерительной процедуры (числа наблюдений для каждой измеряемой величины, моментов времени и точек выполнения наблюдений); подготовка СИ к выполнению экспериментальной операции; обеспечение требуемых условий измерений или создание возможности их контроля. Эти первые два этапа, являющиеся подготовкой к измерениям, имеют принципиальную важность, поскольку определяют конкретное содержание следующих этапов измерения. Ошибки, допущенные при подготовке измерений, с трудом обнаруживаются и корректируются на последующих этапах. Третий, главный этап измерения – измерительный эксперимент. В общем случае последовательность действий во время этого этапа следующая: взаимодействие средств и объекта измерений; преобразование сигнала измерительной информации; воспроизведение сигнала заданного размера; сравнение сигналов и регистрация результата. Последний этап измерения – обработка экспериментальных данных. В общем случае она осуществляется в последовательности, которая отражает логику решения измерительной задачи: предварительный анализ информации, полученной на предыдущих этапах измерения; вычисление и внесение возможных поправок на систематические погрешности; формулирование и анализ математической задачи обработки данных; построение или уточнение возможных алгоритмов обработки данных, т. е. алгоритмов вычисления результата измерения и показателей его погрешности; анализ возможных алгоритмов обработки и выбор одного из них на основании известных свойств алгоритмов, априорных данных и предварительного анализа экспериментальных данных; 41 проведение вычислений согласно принятому алгоритму, в итоге которых получают значения измеряемой величины и погрешностей измерений; анализ и интерпретация полученных результатов; запись результата измерений и показателей погрешности в соответствии с установленной формой представления. Выделение этапов измерения имеет непосредственное практическое значение – способствует своевременному осознанному выполнению всех действий и оптимальной реализации измерений. Это, в свою очередь, позволяет избежать серьезных методических ошибок, связанных с переносом проблем одного этапа на другой. Контрольные вопросы к главе 3 1. Приведите классификацию видов измерений по методу. 2. Приведите классификацию видов измерений по способу получения результатов. 3. Приведите классификацию видов измерений по точности оценки погрешности. 4. Назовите основные характеристики измерений. 5. Назовите основные этапы измерений. 42 4 Средства измерений Средства измерительной техники – обобщающее понятие, охватывающее технические средства, специально предназначенные для измерений. К средствам измерительной техники относятся средства измерений, эталоны, измерительные системы, измерительные установки, измерительные принадлежности, средства сравнения, стандартные образцы и др. 4.1 Классификация средств измерений Средства измерений (СИ) – технические средства (или их комплекс), предназначенные для измерений и имеющие нормированные метрологические характеристики. По конструктивному исполнению СИ подразделяются на меры, измерительные приборы, измерительные преобразователи, измерительные установки, измерительные системы, измерительные комплексы. По уровню автоматизации различают неавтоматические средства измерений, автоматизированные средства измерений, автоматические средства измерений. По метрологическому назначению средства измерений подразделяются: на рабочие средства измерений, предназначенные для измерения физических величин; метрологические средства измерений, предназначенные для обеспечения единства измерений. К ним относятся эталоны. Мера – средство измерений, которое воспроизводит в процессе использования или постоянно хранит величины одного или более данных родов, с приписанными им значениями. Примеры – эталонная гиря, мера вместимости (которая сохраняет одно или несколько значений величины, со шкалой значений величины или без нее), эталонный резистор, линейная шкала (линейка), концевая мера длины, эталонный генератор сигналов, меры твердости (минералы различной твердости по шкале Мооса), аттестованный стандартный образец. Мера может быть эталоном. Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия. Примеры – вольтметр, микрометр, термометр, электронные весы. Измерительный прибор, в котором сигнал измерительной информации представлен в визуальной форме, называют показывающим измерительным 43 прибором. Сигнал измерительной информации может быть представлен в визуальной, звуковой или другой заданной форме. Он также может быть передан одному или нескольким другим средствам измерений. Измерительный прибор может быть эталоном. Измерительный прибор, как правило, содержит устройство для преобразования измеряемой величины в сигнал измерительной информации и его индикации в форме наиболее доступной для наблюдателя. По степени индикации значений измеряемой величины измерительные приборы разделяются на показывающие и регистрирующие. Измерительный преобразователь – средство измерений или его часть, служащее для получения и преобразования информации об измеряемой величине в форму, удобную для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи. Примеры – термопара, трансформатор электрического тока, тензодатчик, электрод для измерения рН, трубка Бурдона, биметаллическая пластина. Измерительный преобразователь или входит в состав какого-либо измерительного прибора (измерительной установки, измерительной системы и др.), или же применяется с каким-либо средством измерения. По характеру преобразования различают: аналоговые, цифро-аналоговые, аналого-цифровые преобразователи. По месту в измерительной цепи различают первичные и промежуточные преобразователи. Первичный измерительный преобразователь – измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина, то есть первый преобразователь в измерительной цепи измерительного прибора (установки, системы). Передающий измерительный преобразователь – измерительный преобразователь, предназначенный для дистанционной передачи сигнала измерительной информации. Масштабный измерительный преобразователь – измерительный преобразователь, предназначенный для изменения размера величины в заданное число раз. Чувствительный элемент (первичный измерительный преобразователь; датчик) – измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует материальный объект или явление, являющееся носителем величины, подлежащей измерению. Примеры – чувствительная катушка платинового термометра сопротивления, ротор турбинного расходомера, трубка Бурдона в манометре, поплавок уровнемера, фотоэлемент спектрометра, термотропный жид44 кий кристалл, который изменяет цвет в зависимости от температуры. Конструктивно обособленные первичный преобразователь или совокупность первичного и других измерительных преобразователей называют датчиком. Установка (измерительная) – совокупность функционально объединенных и расположенных в одном месте мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенная для измерений одной или нескольких величин. Измерительную установку, применяемую для поверки, называют поверочной установкой. Измерительную установку, входящую в состав эталона, называют эталонной установкой. Измерительная система – совокупность средств измерений и других средств измерительной техники, размещенных в разных точках объекта измерения, функционально объединенных с целью измерений одной или нескольких величин, свойственных этому объекту. Примеры – измерительная система теплоэлектростанции, позволяющая получать измерительную информацию о ряде величин в разных энергоблоках (она может содержать сотни измерительных каналов); радионавигационная система для определения местоположения различных объектов, состоящая из ряда измерительно-вычислительных комплексов, разнесенных в пространстве на значительное расстояние друг от друга. Измерительная система в зависимости от решаемой измерительной задачи может рассматриваться как единое средство измерений. Детектор – техническое средство или вещество, которое указывает на наличие определенного свойства объекта измерения при превышении порогового значения соответствующей величиной. Примеры – галогенный течеискатель, лакмусовая бумага. В химии для этого понятия часто используют термин «индикатор». Средство сравнения – техническое средство или определенная среда, посредством которых возможно выполнять сравнение друг с другом мер однородных величин или показания измерительных приборов. Иногда техническое средство снабжается средством измерений, обеспечивающим функцию сравнения. В этом случае может использоваться термин устройство сравнения – устройство, которое используется как средство сличения эталонов. Примеры – рычажные весы, на одну чашку которых устанавливается эталонная гиря, а на другую поверяемая – есть средство для их сравнения; жидкость для сравнения показаний ареометров служит необходимой средой для градуировки; температурное поле, создаваемое термостатом для сравнения показаний термометров, является необходимой средой; давление среды, создаваемое компрессором, мо45 жет быть измерено поверяемым и эталонным манометрами одновременно. На основании показаний эталона градуируется поверяемый прибор. Компаратор – средство измерений, предназначенное для сличения мер однородных величин, измерительных преобразователей и измерительных приборов. Примеры – рычажные весы; компаратор для сличения нормальных элементов. По отношению к измеряемой физической величине различают основные средства измерений и вспомогательные средства измерений. Основное средство измерений – средство измерений той физической величины, значение которой необходимо получить в соответствии с измерительной задачей. Вспомогательное средство измерений – средство измерений той величины, влияние которой на основное средство измерений или объект измерения необходимо учитывать для получения результатов измерений требуемой точности. Пример – термометр для измерения температуры газа в процессе измерений объемного расхода этого газа. Тип средства измерений – совокупность средств измерений одного и того же назначения, основанных на одном и том же принципе действия, имеющих одинаковую конструкцию и изготовленных по одной и той же технической документации. Средства измерений одного типа могут иметь различные модификации (например, отличаться по диапазону измерений). Измерительная цепь – последовательность элементов средства измерений, которая образует единый путь сигнала от чувствительного элемента к выходному элементу, формирующему показание. 4.2 Статическая характеристика средства измерений Зависимость информативного параметра выходного сигнала от информативного параметра входного сигнала называется функцией преобразования измерительного преобразователя или статической характеристикой. Ее можно представить в аналитическом виде: y f (x ), (4.1) где x – входной сигнал средства измерений; у – выходной сигнал средства измерений. Статическую характеристику можно представить также графически или в виде таблиц. 46 Для измерительных преобразователей статическую характеристику принято называть функцией преобразования. Для измерительных приборов – характеристикой шкалы. Определение статической характеристики связано с выполнением градуировки, поэтому для всех средств измерений используются градуировочные характеристики. Градуировочная характеристика – зависимость между значениями на выходе и входе средств измерений, полученная экспериментально. Кроме статической характеристики для средств измерений используется еще ряд понятий. Отсчетное устройство – часть элементов средства измерений, показывающая значение измеряемой величины или связанных с ней величин. Шкала средства измерений – часть средства измерений, представляющая собой упорядоченный набор меток вместе со значениями соответствующей величины. Отметка шкалы – знак на шкале средства измерений, соответствующий некоторому значению физической величины. Длина шкалы – длина линии, проходящей через центры всех самых коротких отметок шкалы средства измерений и ограниченной начальной и конечной метками. Цена деления шкалы – разность значений величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы средства измерений. Начальное значение шкалы – наименьшее значение величины, которое может быть отсчитано по шкале средства измерений. Конечное значение шкалы – наибольшее значение измеряемой величины, которое может быть отсчитано по шкале средства измерений. Диапазон показаний средства измерений – область значения шкалы прибора, ограниченная конечным и начальным значениями шкалы. Диапазон измерений средства измерений – область значений величины, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности средства измерений. 4.3 Динамические характеристики средства измерений Динамические характеристики СИ определяют инерционные свойства СИ и представляют собой зависимость информативного параметра выходного сигнала от меняющихся во времени параметров входного сигнала. В качестве основных динамических характеристик могут использоваться: 47 переходная характеристика СИ; импульсная переходная характеристика СИ; амплитудно-фазовая характеристика СИ; амплитудно-частотная характеристика СИ; амплитудно- и фазочастотные характеристика СИ; передаточная функция. В качестве частных динамических характеристик может использоваться время реакции средства измерений: для показывающего прибора – время установления показаний; для измерительного преобразователя – время установления выходного сигнала; для цифрового измерительного прибора – время, прошедшее с момента скачкообразного изменения измеряемой величины и одновременной подачи сигнала запуска до момента, начиная с которого показания цифрового прибора отличаются от установившегося показания на значение, не превышающее заданного. Контрольные вопросы к главе 4 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Дайте определение средств измерений. Приведите классификацию СИ по конструктивному исполнению. Приведите классификацию СИ по метрологическому назначению. Назовите статистические характеристики и параметры средства измерений. Что такое функция преобразования средства измерений? Какие виды функций преобразования используются в метрологии? Что такое чувствительность СИ? Что характеризует динамическая характеристика? Какие полные динамические характеристики используются для СИ? Какие частные динамические характеристики вы знаете? 48 5 Метрологические характеристики средств измерений Метрологическая характеристика (средства измерений) – характеристика одного из свойств средства измерений, влияющая на результат измерений. Точностные характеристики (средства измерений) – совокупность метрологических характеристик средства измерений, влияющих на точность измерения. К точностным характеристикам относятся погрешность средства измерений, нестабильность, смещение нуля и др. 5.1 Классификация погрешностей измерений и средств измерений Одной из характеристик качества измерений и средств измерений является их точность. Термин «точность измерений», т. е. степень приближения результатов измерения к некоторому действительному значению, не имеет строгого определения и используется для качественного сравнения измерительных операций. Для количественной оценки используется понятие «погрешность измерений» (чем меньше погрешность, тем выше точность). Оценка погрешности измерений – одно из важных мероприятий по обеспечению единства измерений. Введение понятия «погрешность» требует определения и четкого разграничения основных понятий. Результат (измерения величины) – множество значений величины, приписываемых измеряемой величине вместе с любой другой доступной и существенной информацией. Результат измерения может быть представлен измеренным значением величины с указанием соответствующего показателя точности. К показателям точности относятся, например, среднее квадратическое отклонение, доверительные границы погрешности, стандартная неопределенность измерений, суммарная стандартная и расширенная неопределенности. Опорное значение (величины) – значение величины, которое используют в качестве основы для сопоставления со значениями величин того же рода. Принятое значение (величины) – значение величины, по соглашению приписанное величине для данной цели. Иногда принятое значение величины является оценкой истинного значения величины. 49 Если неопределенность измерений, связанная с принятым значением, достаточна мала и может быть принята равной нулю для конкретной цели, то в этом случае используют понятие действительное значение величины. Действительное значение физической величины – значение физической величины, полученное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному, что в поставленной измерительной задаче может быть использовано вместо него. Погрешность (результата измерения) – разность между измеренным значением величины и опорным значением величины. Погрешность измерения выражается формулой: X изм Q . (5.1) Если опорное значение величины известно, как, например, при калибровке средств измерений, то известно и значение погрешности измерения. Если в качестве опорного значения выступает истинное значение величины, то значение погрешности неизвестно. Количество факторов, влияющих на точность измерения, достаточно велико, и любая классификация погрешностей измерения (рисунок 5.1) в известной мере условна, так как различные погрешности в зависимости от условий измерительного процесса проявляются в различных группах. Поэтому для практических целей достаточно рассмотреть случайные и систематические составляющие общей погрешности, выраженные в абсолютных и относительных единицах при прямых, косвенных, совокупных и равноточных измерениях. Таким образом, погрешности измерений и средств измерений могут быть классифицированы по следующим признакам: по характеру проявления – систематические и случайные; по способу выражения – абсолютные, относительные, приведенные; по отношению к условиям применения – основные, дополнительные; по отношению к изменяемости измеряемой величины – статические, динамические; по характеру зависимости от измеряемой величины – аддитивные, мультипликативные; по месту возникновения – методические и инструментальные. 50 Погрешность измерений По форме числового выражения Абсолютные По закономерностям проявления Случайные Грубые промахи Систематические Относительные Предельные По виду источника Приведенные Средние квадратические (стандартные) Методические По характеру проявления Постоянные Инструментальные Вероятные Субъективные Средние Условно постоянные Безусловно постоянные Средние арифметические Переменные Прогрессирующие Периодические Изменяющиеся по сложному закону Динамические Рисунок 5.1 – Классификация погрешностей измерения 5.1.1 Классификация погрешностей по характеру проявления Погрешность измерения равна сумме случайной и систематической погрешностей. Систематическая погрешность (измерения) – составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или же закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же величины (систематические погрешности рассматриваются в главе 7). В зависимости от характера изменения систематические погрешности подразделяются на постоянные; прогрессивные; погрешности, изменяющиеся по сложному закону; периодические. Постоянные погрешности – погрешности, которые длительное время сохраняют свое значение. Прогрессивные погрешности – непрерывно возрастающие или убывающие погрешности. Периодические погрешности – погрешности, значение которых является периодической функцией времени. 51 Пропорциональные погрешности – погрешности, значение которых пропорционально значению измеряемой величины. Погрешности, изменяющиеся по сложному закону, происходят вследствие совместного действия нескольких систематических погрешностей. Случайная погрешность измерения – составляющая погрешности измерения, изменяющаяся случайным образом (по знаку и значению) при повторных измерениях, проведенных в определенных условиях (случайные погрешности рассматриваются в главе 6). 5.1.2 Классификация погрешностей по способу выражения По способу выражения различают абсолютную, относительную, приведенную погрешности. Абсолютная погрешность измерения – погрешность, выраженная в единицах физической величины. Под абсолютной погрешностью понимается разность между показаниями прибора и опорным значением величины: x xо . (5.2) Относительная погрешность измерения – погрешность измерения, выраженная отношением абсолютной погрешности измерения к опорному значению измеряемой величины: (5.3) 100 % . x Здесь х – опорное или измеренное значение величины. Для средств измерений используют также приведенную погрешность. Приведенная погрешность СИ – относительная погрешность, выраженная отношением абсолютной погрешности СИ к условно принятому значению величины, постоянному во всем диапазоне измерений или в части диапазона. Условно принятое значение величины называют нормирующим значением. Часто за нормирующее значение принимают диапазон измерений. Приведенная погрешность равна: 100 % . (5.4) xнорм 5.1.3 Классификация погрешностей по отношению к условиям применения 52 По отношению к условиям применения различают основную и дополнительные погрешности СИ. Различают нормальные и рабочие условия применения СИ. Они отличаются диапазоном изменения неинформативных параметров входного сигнала и влияющих величин. Влияющая физическая величина – физическая величина, измерение которой не предусмотрено данным средством измерений, но оказывающая влияние на результаты измерения физической величины, для которой предназначено средство измерений. Неинформативный параметр не связан функционально с измеряемой величиной, но влияет на метрологические характеристики СИ (в частности, на погрешность). Например, при измерении амплитуды напряжения информативным параметром является амплитуда сигнала, а неинформативным – его частота. Нормальные условия измерений – условия измерений, предписанные для оценивания характеристик средства измерений или измерительной системы или для сравнения результатов измерений. Нормальные условия измерений характеризуются нормальной областью значений влияющих величин. Нормальные условия измерений устанавливаются в нормативных документах на средства измерений конкретного типа или при их поверке (калибровке). Погрешность средства измерений в нормальных условиях называют основной погрешностью средства измерений. Основная погрешность средства измерений – погрешность средства измерений, определяемая в нормальных условиях его применения. Нормальные условия относятся к условиям измерений, при которых установленная инструментальная неопределенность или погрешность будет наименьшей. Например, если для прибора установлены нормальные температурные условия +10…+35 ℃, то в этом диапазоне гарантируется основная погрешность, указанная в паспорте. Прибор может работать в более широком диапазоне температур от 0 до +40 ℃. Этот диапазон называют нормированным или рабочим. Нормированные условия измерений (рабочие условия измерений) – условия измерений, которые должны выполняться во время измерения для того, чтобы средство измерений или измерительная система функционировали в соответствии со своим назначением. Нормированные условия измерений характеризуются рабочей областью значений влияющих величин. 53 Составляющую погрешности средства измерений, возникающую дополнительно к основной погрешности вследствие выхода влияющих величин за пределы нормальной области значений, называют дополнительной погрешностью. Эти понятия иллюстрируются на рисунке 5.2. 10° Погрешность не нормируемая Рабочие условия Основная + дополнительная 15° Нормальные условия Основная погрешность 25° Рабочие условия Основная + дополнительная 45° ℃ Погрешность не нормируемая Рисунок 5.2 – Основная и дополнительная погрешности Зависимость дополнительной погрешности от изменения влияющей величины в пределах рабочих условий эксплуатации называется функцией влияния. Функция влияния нормируется в виде формулы, графика или таблицы. Предельные условия (измерений) – условия измерений, характеризуемые экстремальными значениями измеряемой и влияющих величин, которые средство измерений или измерительная система может выдержать без разрушений и ухудшения метрологических характеристик, если они впоследствии будут использоваться в своих нормированных условиях измерения. 5.1.4 Классификация погрешностей по отношению к изменяемости измеряемой величины По отношению к изменяемости измеряемой величины погрешности СИ делятся на статические и динамические. Статическая погрешность средства измерений – погрешность средства измерений, используемого при измерениях постоянной величины. Динамическая погрешность средства измерений – разность между погрешностью средства измерений в динамическом режиме и его статической погрешностью, соответствующей значению величины в данный момент времени. 5.1.5 Классификация погрешностей по характеру зависимости от измеряемой величины По характеру зависимости погрешности средства измерений от значения измеряемой величины различают аддитивную, мультипликативную и нелинейную погрешности. 54 Аддитивная погрешность – это погрешность, постоянная для каждого значения измеряемой величины, вызванная поступательным смещением реальной статической характеристики (функции преобразования) от идеальной статической характеристики. Мультипликативная погрешность – это погрешность, линейно возрастающая или убывающая с ростом измеряемой величины, вызванная поворотом реальной статической характеристики (функции преобразования) от идеальной статической характеристики. Нелинейная погрешность – это погрешность, нелинейно изменяющаяся с ростом измеряемой величины. На рисунке 5.3 а приведены статические характеристики средств измерений при аддитивной, мультипликативной и погрешности нелинейности соответственно от величины х. На рисунке 5.3 б приведены зависимости соответствующих абсолютных погрешностей от измеряемой величины х. На рисунке 5.3 в приведены зависимости соответствующих относительных погрешностей от измеряемой величины х. На рисунках y Fn x – номинальная характеристика преобразования; y Fp x – реальная характеристика преобразования, полученная за счет учета погрешностей. 55 а y б в ∆адд δадд x x ∆мульт δмульт x x ∆нел δнел x x Fp(x) Fн(x) y x Fн(x) y Fн(x) x Fp(x) x Рисунок 5.3 – Статическая характеристика (а), зависимость абсолютной (б) и относительной (в) погрешностей от измеряемой величины при аддитивной, мультипликативной и погрешности нелинейности соответственно Вариация показаний измерительного прибора – разность показаний прибора в одной и той же точке диапазона измерений при плавном подходе к этой точке со стороны меньших и больших значений измеряемой величины. Статическая характеристика средства измерения с учетом вариации приведена на рисунке 5.4, где V – вариация показаний. y V x xс Рисунок 5.4 – Статическая характеристика СИ с учетом вариации 56 Размах результатов измерений Rn – оценка рассеяния результатов единичных измерений физической величины, образующих ряд (или выборку из n измерений), вычисляемая по формуле: Rn xmax xmin , (5.5) где xmax и xmin – наибольшее и наименьшее значения физической величины в данном ряду измерений. Статическая характеристика средства измерений с учетом вариации и размаха приведена на рисунке 5.5. y R V R x xс Рисунок 5.5 – Статическая характеристика СИ с учетом вариации и размаха Чувствительность (средства измерений) – отношение изменения показаний средства измерения к вызывающему его изменению измеряемой величины. Различают абсолютную и относительную чувствительность. Абсолютная чувствительность равна производной от характеристики преобразования средства измерения: S limx 0 y dy , x dx (5.6) где y – изменение сигнала на выходе; x – изменение измеряемой величины. Для средств измерений, имеющих линейную статическую характеристику y ( y kx ), чувствительность определяется S и постоянна ( S k ), для средx ства измерения с нелинейной статической характеристикой чувствительность S зависит от входного сигнала. Относительная чувствительность определяется по формуле S0 y /(x / x) , где х – измеряемая величина, x x – относительное изменение входной величины. 57 Порог чувствительности средства измерений – наименьшее значение изменения величины, начиная с которого может осуществляться ее измерение данным средством измерения. Разрешение – наименьшее изменение измеряемой величины, которое является причиной заметного изменения соответствующего показания. Разрешение может зависеть, например, от шума (собственного или внешнего) или трения. Оно может также зависеть от значения измеряемой величины. Разрешающая способность измерительного прибора – наименьшая разность между показаниями, которая может быть заметно различима. 5.1.6 Классификация погрешностей по месту возникновения В зависимости от места возникновения различают инструментальные и методические погрешности. Инструментальная погрешность (измерения) – составляющая погрешности измерения, обусловленная погрешностью применяемого средства измерений. Иногда эту погрешность называют аппаратурной. Погрешность метода (измерений) – составляющая погрешности измерений, обусловленная несовершенством принятого метода измерений. Методическая погрешность измерения обусловлена: отличием принятой модели объекта измерения от модели, адекватно описывающей его свойство, которое определяется путем измерения; влиянием способов применения СИ. Это имеет место, например, при измерении напряжения вольтметром; влиянием алгоритмов (формул), по которым производятся вычисления результатов измерений; влиянием других факторов, не связанных со свойствами используемых средств измерения. 5.2 Нормируемые метрологические характеристики средств измерений Нормируемые метрологические характеристики типа средств измерений – наиболее рациональная совокупность метрологических характеристик конкретного типа средств измерений, устанавливаемая нормативнотехническими документами на средство измерений. Номенклатура метрологических характеристик (МХ), правила выбора комплексов нормируемых МХ (НМХ) для конкретных типов средств измерений 58 и способы нормирования МХ в нормативно-технической документации (НТД) устанавливаются ГОСТ 8.009-84 «ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений». МХ средств измерений, установленные стандартом, являются составной частью исходной информации: для определения результатов измерений и расчетной оценки характеристик инструментальной составляющей погрешности измерений; для расчета МХ каналов измерительных систем, состоящих из средств измерений с нормированными МХ; для оптимального выбора средств измерений, а также предназначены для использования в качестве контролируемых характеристик при контроле средств измерений на соответствие установленным нормам. 5.2.1 Номенклатура метрологических характеристик. 1 Характеристики, предназначенные для определения результатов измерений (без введения поправки). 1.1 Функция преобразования измерительного преобразователя, а также прибора с неименованной шкалой или со шкалой, отградуированной в единицах, отличных от единиц входной величины, – f(x). 1.2 Значение однозначной или значения многозначной меры – Y. 1.3 Цена деления шкалы измерительного прибора или значения многозначной меры. 1.4 Вид выходного кода, число разрядов кода, цена единицы наименьшего разряда кода средств измерений, предназначенных для выдачи результатов в цифровом коде. 2 Характеристики погрешностей средств измерений. 2.1 Характеристики систематической составляющей s погрешности средств измерений выбирают из числа следующих: систематической составляющей s; или систематической составляющей s, математического ожидания M[s] и среднего квадратического отклонения [s] систематической составляющей погрешности. 2.2 Характеристики случайной составляющей погрешности средств измерений выбирают из числа следующих: среднее квадратическое отклонение [ ] случайной составляющей погрешности 59 или среднее квадратическое отклонение [ ] случайной составляющей погрешности, нормализованная автокорреляционная функция r() или функция спектральной плотности S() случайной составляющей погрешности. 2.3 Характеристики случайной составляющей н погрешности от гистерезиса – вариация выходного сигнала (показания) средства измерений. 2.4 Характеристика погрешности средств измерений – значение погрешности. 2.5 В НТД на средства измерений конкретных видов или типов допускается нормировать функции или плотности распределения вероятностей систематической и случайной составляющей погрешности. 2.6 Характеристика погрешности средств измерений в интервале влияющих величины – такая же, как и по 2.3. 3 Характеристики чувствительности средств измерений к влияющим величинам выбирают из числа следующих. 3.1 Функция влияния (). 3.2 Изменение () значений МХ средств измерений, вызванное изменениями влияющих величин в установленных пределах. 4 Динамические характеристики средств измерений. 4.1 Полная динамическая характеристика аналоговых средств измерений, которые можно рассматривать как линейные. Полную динамическую характеристику выбирают из числа следующих: переходная характеристика h(t); импульсная переходная характеристика g(t); амплитудно-фазовая характеристика G(j); амплитудно-частотная характеристика A(); совокупность амплитудно-частотной и фазово-частотной характеристик; передаточная функция G(S). 4.2 Частные динамические характеристики аналоговых средств измерений, которые можно рассматривать как линейные. К частным динамическим характеристикам относятся любые функционалы или параметры полных динамических характеристик. Примерами таких характеристик являются: время реакции tr; коэффициент демпфирования dam; постоянная времени Т; 60 значение амплитудно-частотной характеристики на резонансной частоте A(0); значение резонансной собственной круговой частоты 0. 4.3 Частные динамические характеристики аналого-цифровых преобразователей и цифровых измерительных приборов, время реакции которых не превышает интервала времени между двумя измерениями, соответствующего максимальной частоте (скорости) fmax измерений, а также цифро-аналоговых преобразователей. В соответствии с ГОСТ 8.009-84, устанавливающим нормируемые метрологические характеристики средств измерений, предусматриваются два комплекса погрешностей средств измерений, которые следует брать в основу при нормировании. m Комплекс 1: 1 ( оs , 00 , 0он , i , Д ) , (5.7) i 1 где os – систематическая составляющая основной погрешности; 00 – случайная составляющая основной погрешности средства измерений; 0он – случайная m составляющая основной погрешности, обусловленная гистерезисом; i – i 1 сумма дополнительных погрешностей средства измерения, возникновение которых обусловлено действием влияющих величин; Д – динамическая погрешность, появление которой обусловлено изменением входного измерительного сигнала. Комплекс 2: m 2 ( 0 , i ) , (5.8) i 1 где 0 – основная погрешность средства измерения без разделения на составляющие. Комплекс 2 применяют для средств измерений, у которых случайная составляющая основной погрешности пренебрежимо мала. В зависимости от свойств средства измерений и условий его применения отдельные составляющие комплексов 1 и 2 могут отсутствовать. 61 62 Рисунок 5.6 – Номенклатура метрологических характеристик СИ 5.3 Класс точности средства измерений Класс точности СИ – обобщенная характеристика точности СИ. В соответствии с ГОСТ 8.401-80 классы точности устанавливаются для СИ, у которых суммарная погрешность нормируется в виде пределов допускаемой основной и дополнительной погрешностей. Эти пределы могут выражаться в форме абсолютных, относительных и приведенных погрешностей. ГОСТ 8.401-80 устанавливает общие положения деления средств измерений на классы точности, способы нормирования метрологических характеристик, комплекс требований к которым зависит от класса точности средств измерений, и обозначение классов точности. Стандарт не устанавливает классы точности средств измерений, для которых предусмотрены нормы отдельно для систематической и случайной составляющей погрешности. Стандарт не устанавливает также классы точности средств измерений, при применении которых в соответствии с их назначением необходимо для оценки погрешности измерений учитывать динамические характеристики. Классы точности устанавливают в стандартах или технических условиях, содержащих технические требования к средствам измерений, подразделяемым по точности. Классы точности присваивают средствам измерений при их разработке с учетом результатов государственных приемочных испытаний. 5.3.1 Способы нормирования и форма выражения метрологических характеристик Пределы допускаемых основной и дополнительных погрешностей выражают в форме приведенных, относительных или абсолютных погрешностей в зависимости от характера изменения погрешности в пределах диапазона измерений, а также от условий применения и назначения средств измерений конкретного вида. Пределы допускаемой абсолютной основной погрешности устанавливают по одночленной или двучленной формуле: a a bx , 5 .9 5.10 где – пределы допускаемой абсолютной основной погрешности, выраженной в единицах измеряемой величины на входе (выходе) или условно в делениях шкалы; 63 х – значение измеряемой величины на входе (выходе) средств измерений или число делений, отсчитанных по шкале; а, b – положительные числа, не зависящие от х. Одночленная формула используется, когда у СИ преобладает аддитивная составляющая погрешности, двучленная – когда необходимо учитывать и мультипликативную составляющую. На рисунке 5.7 а и рисунке 5.7 б показаны области значений погрешности для обеих формул. ±a ±(a+bx) -а bx -а x x +а K K x +а x K а) б) Рисунок 5.7 – Зависимость аддитивной (а) и мультипликативной (б) погрешностей от измеряемой величины Пределы допускаемой приведенной основной погрешности следует устанавливать по формуле: где p, xN (5.11) – пределы допускаемой приведенной погрешности, ; – пределы допускаемой абсолютной погрешности, устанавливаемые по формуле (5.9); xN – нормирующее значение, выраженное в тех же единицах, что и ; p – отвлеченное положительное число, выбираемое из ряда 1 10 n ; 1,5 10 n ; (1,6 10 n ); 2 10 n ; 2,5 10 n; (3 10 n ); 4 10 n ; 5 10 n ; 6 10 n n 1, 0, 1, 2 и т . д .. Нормирующее значение xN для средств измерений с равномерной, практически равномерной или степенной шкалой, а также измерительных преобразователей, если нулевое значение входного сигнала находится на краю или вне диапазона измерения, устанавливают равным большему из пределов измерений или равным большему из модулей пределов измерений, если нулевое значение находится внутри диапазона измерений. Для измерительных приборов с существенно неравномерной шкалой нормирующее значение устанавливают равным всей длине шкалы или ее части, равной диапазону измерений. В этом случае 64 пределы абсолютной погрешности выражают, как и длину шкалы, в единицах ее длины. Пределы допускаемой относительной основной погрешности устанавливают по формуле: q , x (5.12) если установлена по формуле (5.9), или по формуле (5.13), если установлена по формуле (5.10): где x c d k 1 , x x (5.13) – пределы допускаемой относительной основной погрешности, ; – пределы допускаемой абсолютной основной погрешности, выраженной в единицах измеряемой величины на входе (выходе) или условно в делениях шкалы; х – значение измеряемой величины на входе (выходе) средств измерений или число делений, отсчитанных по шкале; q – отвлеченное положительное число, выбираемое из приведенного выше ряда; xk – больший (по модулю) из пределов измерений; q, p, c, d – отвлеченное положительное число, выбираемое из приведенного ряда, d = a/|xk|, c b d . В стандартах на средства измерений должно быть установлено минимальное значение х, равное х0, начиная с которого применим принятый способ выражения пределов допускаемой относительной погрешности. Соотношение между числами с и d устанавливают в стандартах на средства измерений конкретного вида. Пределы допускаемых дополнительных погрешностей устанавливают: в виде постоянного значения для всей рабочей области влияющей величины или в виде постоянных значений по интервалам рабочей области влияющей величины; путем указания отношения предела допускаемой дополнительной погрешности, соответствующего регламентированному интервалу влияющей величины, к этому интервалу; путем указания зависимости предела допускаемой дополнительной погрешности от влияющей величины (предельной функции влияния); путем указания функциональной зависимости пределов допускаемых отклонений от функции влияния. 65 Пределы допускаемой вариации выходного сигнала устанавливают в виде дольного значения предела допускаемой основной погрешности или в делениях шкалы. 5.3.2 Обозначение классов точности Обозначение классов точности средств измерений в документации: для средств измерений, пределы допускаемой основной погрешности которых принято выражать в форме абсолютных погрешностей или относительных погрешностей, причем последние установлены в виде графика, таблицы или формулы, не указанной выше, классы точности следует обозначать прописными буквами латинского алфавита или римскими цифрами; для средств измерений, пределы допускаемой основной погрешности которых принято выражать в форме приведенной погрешности или относительной погрешности по формуле (5.12), классы точности принято обозначать числами, которые равны пределам, выраженным в процентах; для средств измерений, пределы допускаемой основной погрешности которых принято выражать в форме относительной погрешности по формуле (5.13), классы точности обозначают числами c и d, разделяя их чертой. Обозначение классов точности на средствах измерений На циферблаты, щитки и корпуса средств измерений наносятся условные обозначения классов точности, включающие числа, прописные буквы латинского алфавита или римские цифры с добавлением знаков, указанных в таблице 5.1. 66 Таблица 5.1 – Обозначение классов точности на средствах измерений Пределы допускаемой основной погрешности Нормирующее значение выражено в единицах величины на входе (выходе) средства измерений Нормирующее значение принято равным длине шкалы или ее части Пределы допускаемой основной погрешности, Относительная По формуле (5.12) Относительная По формуле (5.13) Абсолютная По формуле (5.9) или (5.10) Форма выражения погрешности Приведенная Приведенная Обозначение класса точности В документации На средстве измерений 1,5 = 1,5 Класс точности 1,5 = 0,5 Класс точности 0,5 0,5 = 0,5 Класс точности 0,5 0,5 Класс точности 0,02/0,01 0,02/0,01 Класс точности М М Класс точности С С = [0,02 + + 0,01(xk/x– 1) Относительная (по формуле, не приведенной в ГОСТе) 67 5.4 Правила округления значений погрешности и результата измерений Рассчитывая значения погрешности по формулам (5.2), (5.3) и (5.4), значения погрешности получают с большим числом знаков. Однако исходными данными для расчета являются нормируемые значения погрешности средства измерений, которые указываются с одной или двумя значащими цифрами. Вследствие этого и в окончательном значении погрешности средства измерений должны быть оставлены только одна-две значащие цифры. При этом приходится учитывать следующее. Если полученное число начинается с цифр 1 или 2, то отбрасывание второго знака приводит к очень большой ошибке (до 30–50 %). Если же полученное число начинается, например, с цифры 9, то сохранение второго знака является дезинформацией, так как исходные данные не обеспечивают такой точности. Исходя из этого на практике установлено такое правило: если полученное число начинается с цифры, равной или большей 10 3 , то в нем сохраняется один знак; если оно начинается с цифр 1 и 2, то в нем сохраняют два знака. В соответствии с этим правилом установлены и нормируемые значения погрешностей средств измерений: в числах 1,5 и 2,5 % указываются два знака, но в числах 0,5; 4; 6 % указывается лишь один знак. В итоге можно сформулировать три правила округления рассчитанного значения погрешности и полученного экспериментально результата измерения: погрешность результата измерения указывается двумя значащими цифрами, если первая из них равна 1 или 2, и одной, если первая 3 и более; результат измерения округляется до того же десятичного разряда, которым оканчивается округленное значение абсолютной погрешности; округление производится лишь в окончательном ответе, а все предварительные вычисления проводят с одним-двумя лишними знаками. Контрольные вопросы к главе 5 1. Дайте определения истинного и действительного значения измеряемой величины. 2. По каким основным признакам классифицируются погрешности? 3. Дайте определение систематических и случайных погрешностей. 4. Какие погрешности по способу выражения вы знаете? 5. При каких условиях СИ имеют только основную погрешность? 6. Какие физические величины называют влияющими? 68 7. При каких условиях у СИ появляется дополнительная погрешность? 8. Какая погрешность называется аддитивной? Приведите примеры. 9. Какая погрешность называется мультипликативной? Приведите примеры. 10. Дайте определение вариации. 11. Как классифицируются погрешности в зависимости от места возникновения? 12. Перечислите правила округления результатов измерения. 69 6 Случайные погрешности Случайные погрешности представляют собой погрешности, в проявлении каждой из которых не наблюдается какой-либо закономерности. Случайные погрешности неизбежны, неустранимы и всегда присутствуют в результате измерения. Они вызывают рассеяние результатов при многократном и достаточно точном измерении одной и той же величины при неизменных условиях. Любой результат измерения содержит помимо истинного значения случайную погрешность. Случайная погрешность не может быть исключена из результата измерения. Оценить ее значение можно, используя при метрологической обработке результатов измерений методы математической статистики. 6.1 Необходимые сведения из теории вероятностей Как известно из теории вероятностей, для полной характеристики случайных величин, в нашем случае погрешностей прибора или измерения (вместе с их систематической составляющей), необходимо определить закон распределения вероятностей исследуемой случайной величины. При этом различают два вида законов распределения случайной величины: интегральный и дифференциальный. Интегральным законом распределения или интегральной функцией распределения случайной величины F(x) называют функцию, каждое значение которой для каждого x является вероятностью события, заключающегося в том, что случайная величина x будет принимать значение, меньшее некоторой величины Х, т. е. функцию: F ( x) P[ x X ] P[ x Х ] . (6.1) Таким образом, интегральный закон распределения – это неотрицательная F ( x) 0; неубывающая функция x, т. е. F ( x2 ) F ( x1 ) , если x 2 x1 ; при x = – равна F(–) = 0, а при x = + достигает F(+) = 1. Выражение закона распределения вероятностей случайной величины в виде интегральной функции распределения F(x) – самая универсальная характеристика случайной величины. Она существует для всех случайных величин, как прерывных, так и непрерывных, и полностью представляет случайную величину с вероятностной точки зрения. 70 Для непрерывной, случайной величины с непрерывной и дифференцируемой функцией распределения F(x) можно найти дифференциальный закон распределения вероятностей, выраженный как: p ( x) F ' ( x ) . (6.2) Эта функция называется плотностью распределения вероятностей непрерывной, случайной величины. Функция p(x) неотрицательная и подчиняется так называемому условию нормирования: p( x)dx 1 . (6.3) Это непосредственно следует из свойств интегрального закона распределения. Учитывая взаимосвязь F(x) и р(x), можно показать, что вероятность попадания случайной величины в заданный интервал (х1; х2): x 2 P x x x p( x)dx . 1 2 x 1 (6.4) Р(х) х1 х2 х Рисунок 6.1 – Равномерный закон распределения Часто встречающимся в измерительной практике законом распределения случайной погрешности является равномерный закон, когда непрерывная, случайная величина имеет возможные значения в пределах некоторого конечного интервала, причем в пределах этого интервала все значения случайной величины обладают одной и той же плотностью вероятности. Аналитически равномерное распределение случайной величины записывается так: 1 при X 1 x X 2 p ( x) X 2 X1 , p ( x) 0 при x X 1 и x X 2 (6.5) где р(х) – плотность распределения случайной величины, подчиненной закону равномерной плотности на участке от Х1 до Х2. 71 Примером равномерного распределения погрешности (рисунок 6.1) может служить погрешность от трения в стрелочных приборах. Действительно, если подводить стрелку прибора к данной отметке его шкалы со стороны малых значений, найдем левую границу Х1 возможных значений погрешности от трения для данного деления шкалы, если же со стороны больших значений, то определим правую границу Х2 возможных значений этой погрешности. В реальных условиях эксплуатации значения погрешности от трения будут равномерно распределены в указанном интервале. В теории случайных погрешностей формулируются также две аксиомы. 1. При очень большом числе измерений случайные погрешности, равные по величине, но различные по знаку, встречаются одинаково часто (аксиома симметрии). 2. Чаще всего встречаются меньшие погрешности, а большие погрешности встречаются тем реже, чем они больше (аксиома монотонного убывания плотности вероятностей). Если эти аксиомы случайных погрешностей соблюдаются, то при неограниченном увеличении числа независимых причин, вызывающих погрешности, закон распределения плотности вероятностей можно представить как: p ( x) 1 2 x2 e 2 , 2 (6.6) где p(x) – плотность вероятности случайной величины X, а – среднее квадратическое отклонение (СКО). Такой закон носит название нормального закона распределения случайной погрешности. Кривые дифференциального и интегрального законов нормального распределения приведены на рисунке 6.2. Р(х) F(х) х х а б Рисунок 6.2 – Кривые дифференциального (а) и интегрального (б) законов нормального распределения 72 Однако измерительные устройства, используемые в различных областях практики, столь многообразны, что в распределении случайных погрешностей наблюдается значительное различие и единого закона для распределения случайных погрешностей указать нельзя. 6.1.1 Моменты распределения Статистическое описание случайной величины полным указанием законов распределения вероятностей слишком громоздко. Для практики бывает достаточно указать только отдельные числовые характеристики закона распределения случайной величины. Поэтому для оценки того или иного свойства законов распределения случайной величины в теории вероятностей используют числовые характеристики, называемые моментами. Среди числовых характеристик случайной величины нас интересует, прежде всего, положение случайной величины на числовой оси, то есть ее систематическая составляющая – ее среднее значение, определяющее положение области, в которой группируются значения случайной величины. Такое среднее значение случайной величины называется ее первым моментом или ее математическим ожиданием, оно обозначается М[X] и определяется как сумма произведений всех возможных значений дискретной, случайной величины на вероятность этих значений: in M [ X ] xi Pi . (6.7) in Для непрерывной величины Х математическое ожидание выражается не суммой, а интегралом: M [ X ] xp( x)dx , (6.8) где р(х) – плотность распределения вероятностей величины X. После того как найдено математическое ожидание результатов отклонения, можно определить случайные отклонения i x i M [ X ] каждого результата от математического ожидания. С этой точки зрения различают начальные моменты, найденные без исключения систематической составляющей, и центральные моменты, характеризующие случайную величину за вычетом систематической составляющей. Начальным моментом n-го порядка дискретной, случайной величины Х называется сумма вида: 73 i n an [ X ] M [ X n ] xin Pi . (6.9) i 1 Для непрерывной, случайной величины начальный момент n-го порядка определяется интегралом: an [ X ] M [ X n ] x n p ( x)dx . (6.10) Центральным моментом n-го порядка случайной величины Х называется математическое ожидание n-й степени соответствующей центрированной случайной величины: n [ X ] M [( X M [ X ]) n ] . (6.11) Из определения следует, что 1 = 0, то есть математическое ожидание первой степени центрированной случайной величины всегда равно нулю. Второй центральный момент называется дисперсией случайной величины и характеризует форму кривой распределения и служит мерой рассеяния значений случайной величины вокруг математического ожидания: 2 [ X ] D[ X ] M [( X M [ X ]) 2 ] . (6.12) Так как дисперсия имеет размерность квадрата случайной величины, то она выражает как бы мощность ее рассеяния. Поэтому для наглядной характеристики самой величины рассеяния пользуются средним квадратическим отклонением случайной величины X, которое равно [ X ] D[ X ] и имеет размерность самой случайной величины. На рисунке 6.3 изображены кривые нормального распределения для различных значений среднеквадратичного отклонения. Р 0,5σ σ 2σ х Рисунок 6.3 – Кривые нормального закона распределения Третий центральный момент характеризует асимметрию, или скошенность, распределения. Для всех симметричных относительно математического ожидания законов распределения этот момент равен нулю. Очевидно, что тре74 тий момент имеет размерность куба случайной величины. Поэтому для относительной характеристики асимметрии обычно пользуются коэффициентом асимметрии, равным третьему моменту, деленному на куб среднего квадратического отклонения: s 3 . 3 (6.13) Четвертый центральный момент служит для описания островершинности или плосковершинности распределения. Эти свойства распределения описываются с помощью относительного значения четвертого момента, равного 4/4, или так называемого эксцесса, которым называется величина: 4 3. (6.14) 4 Число 3 вычитается из отношения 4/4 потому, что для нормального закона распределения величина 4/4 = 3, а остальные распределения по эксцессу Ex сравниваются с нормальным. Таким образом, для нормального закона Ex = 0 кривые, более островершинные по сравнению с нормальным законом, обладают положительным эксцессом, а плосковершинные кривые – отрицательным эксцессом. 6.1.2 Квантили распределения. Уровень значимости Значению функции F(x) для x = x соответствует площадь заштрихованного участка, отображающая вероятность того, что случайная величина х находится в диапазоне от –∞ до х. Такая вероятность называется односторонней. Если заштрихованная площадь равна от всей площади, расположенной между кривой р(х) и осью абсцисс, то есть р[x x] = , то значение x называют -й квантилью кривой распределения. На рисунке 6.4 заштрихованная площадь отражает вероятность того, что случайная величина х не находится в диапазоне от –∞ до х, то есть превышает х. Вероятность того, что величина х больше, чем x, равна (1 – ), то есть р[x x] = 1 – . Величина = 1 – называется уровнем значимости. Под уровнем значимости какой-либо статистической гипотезы понимают наибольшую вероятность , с которой эта гипотеза может дать ошибочный результат. Уровнем значимости характеризуют критическую область. Если найденная оценка оказывается в критической области, то данная гипотеза не принимается. Уро75 вень значимости, вычисленный по односторонней вероятности, также является односторонним. 6.1.3 Доверительный интервал В общем случае для случайной величины х можно вычислить вероятность ее попадания в некоторый интервал межу н и в (рисунок 6.6). в p н x в p( x )dx . (6.15) н а б Р Р ∆н ∆в М(х) х ∆н М(х) ∆в х Рисунок 6.4 – Варианты несимметричного (а) и симметричного (б) расположения границ поля допусков погрешности относительно М(х) Для симметричного интервала, при н = М(х) – и в = М(Х) + , где М(Х) – математическое ожидание, а – половина интервала, в котором заключена случайная величина: Р[(М(Х) – ) < x < (М(Х) + )] = 2Ф(y), где Ф(y) – интеграл Лапласа. Доверительный интервал погрешности результата измерения – это интервал значений случайной погрешности, внутри которого с заданной вероятностью Рз находится искомое (истинное) значение погрешности результата измерения. Величина Рз называется доверительной вероятностью. В случае нормального распределения погрешностей погрешность находится в доверительном интервале (М (Х) – ) – (М (Х) + ) с вероятностью 0,68; с вероятностью 0,95 – в доверительном интервале (М(Х) – 2) – (М(Х) + 2) и с вероятностью 0,997 – в доверительном интервале (М(Х) – 3) – (М(Х) + 3). Для других значений доверительной вероятности доверительные интервалы находят по таблицам. 76 Рассмотренные соотношения позволяют теоретически определить параметры распределения случайной величины. Определить вид функции р(х) и вычислить параметры распределения можно только на основании исчерпывающего статистического материала о случайной величине или, если использовать термины математической статистики, выборки бесконечного размера. Однако в реальных условиях при опытном определении погрешности и ее статистических параметров размер выборки всегда ограничен. На основе ограниченного экспериментального материала возможно лишь приближенное определение характеристик погрешности средств измерений. Найденные из опытных данных приближенные значения параметров распределения называют их оценками. 6.2 Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений 6.2.1 Термины и определения В настоящем расчете применены следующие термины с соответствующими определениями: результат измерения физической величины – результат измерения; результат: значение величины, полученное путем ее измерения; неисправленный результат измерений величины – результат измерений величины, полученный до введения в него поправки в целях устранения систематических погрешностей; исправленный результат измерений величины – результат измерений величины, полученный после введения поправки в целях устранения систематических погрешностей в неисправленный результат измерений величины; неисправленная оценка измеряемой величины – среднее арифметическое значение результатов измерений величины до введения в них поправки в целях устранения систематических погрешностей; исправленная оценка измеряемой величины – среднее арифметическое значение результатов измерений величины после введения поправки в целях устранения систематических погрешностей в неисправленную оценку измеряемой величины; группа результатов измерений величин – несколько результатов измерений (не менее четырех, 4), полученных при измерениях одной и той же величины, выполненных с одинаковой тщательностью, одним и тем же 77 средством измерений, одним и тем же методом и одним и тем же оператором; погрешность измерения – разность между результатом измерения величины и действительным (опорным) значением величины; случайная погрешность измерения – составляющая погрешности измерения, изменяющаяся случайным образом (по знаку и значению) при повторных измерениях одной и той же величины, проведенных с одинаковой тщательностью; систематическая погрешность измерения – составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же величины, проведенных с одинаковой тщательностью; неисключенная систематическая погрешность измерения – составляющая погрешности измерения, обусловленная погрешностью оценивания систематической погрешности, на которую введена поправка, или систематической погрешностью, на которую поправка не введена; грубая погрешность измерения – погрешность измерения, существенно превышающая зависящие от объективных условий измерений значения систематической и случайной погрешностей. 6.2.2 Общие положения Необходимость выполнения прямых многократных измерений устанавливают в конкретных методиках измерений. При статистической обработке группы результатов прямых многократных независимых измерений выполняют следующие операции: исключают известные систематические погрешности из результатов измерений; вычисляют оценку измеряемой величины; вычисляют среднее квадратическое отклонение результатов измерений; проверяют наличие грубых погрешностей и при необходимости исключают их; проверяют гипотезу о принадлежности результатов измерений нормальному распределению; вычисляют доверительные границы случайной погрешности (доверительную случайную погрешность) оценки измеряемой величины; вычисляют доверительные границы (границы) неисключенной систе78 матической погрешности оценки измеряемой величины; вычисляют доверительные границы погрешности оценки измеряемой величины. Проверку гипотезы о том, что результаты измерений принадлежат нормальному распределению, проводят с уровнем значимости q от 10 % до 2 %. Конкретные значения уровней значимости должны быть указаны в конкретной методике измерений. Для определения доверительных границ погрешности оценки измеряемой величины доверительную вероятность P принимают равной 0,95. В случаях, когда измерения не представляется возможным повторить, помимо границ, соответствующих доверительной вероятности P = 0,95, допускается указывать границы для доверительной вероятности 0,99. В особых случаях, например при измерениях, результаты которых имеют значение для здоровья людей, допускается кроме доверительной вероятности P = 0,99 указывать более высокую доверительную вероятность. В ГОСТ Р 8.736-2011 изложены требования к методам обработки результатов измерений и к оцениванию точности измеряемой величины посредством погрешностей. 6.2.3 Оценка измеряемой величины и среднее квадратическое отклонение Оценку измеряемой величины , за которую принимают среднее арифметическое значение исправленных результатов измерений, вычисляют по формуле: (6.16) где – i-й результат измерений; n – число исправленных результатов измерений. Среднее квадратическое отклонение группы, содержащей измерений, вычисляют по формуле: . результатов (6.17) Среднее квадратическое отклонение среднего арифметического (оценки измеряемой величины) вычисляют по формуле: (6.18) 79 6.2.4 Исключение грубых погрешностей Для исключения грубых погрешностей используют критерий Граббса. Статистический критерий основан на предположении о том, что группа результатов измерений принадлежит нормальному распределению. Для этого вычисляют критерии Граббса G 1 и G2, предполагая, что наибольший xmax или наименьший xmin результат измерений вызван грубыми погрешностями: . (6.19) Сравнивают G1 и G2 с теоретическим значением GT критерия Граббса при выбранном уровне значимости q. Если G1 > GT, то xmax исключают как маловероятное значение. Если G2 > GT, то xmin исключают как маловероятное значение. Далее вновь вычисляют среднее арифметическое и среднее квадратическое отклонения ряда результатов измерений и процедуру проверки наличия грубых погрешностей повторяют. Если G1 < GT, то xmax не считают промахом и его сохраняют в ряду результатов измерений. Если G2 < GT, то xmin не считают промахом и его сохраняют в ряду результатов измерений. 6.2.5 Доверительные границы случайной погрешности Доверительные границы случайной погрешности оценки измеряемой величины устанавливают для результатов измерений, принадлежащих нормальному распределению. При невыполнении этого условия методы вычисления доверительных границ случайной погрешности должны быть указаны в методике измерений. При числе результатов измерений n < 15 принадлежность их к нормальному распределению не проверяют. При этом вычисление доверительных границ случайной погрешности оценки измеряемой величины по методике, предусмотренной настоящим стандартом, допускается только в том случае, если заранее известно, что результаты измерений принадлежат нормальному распределению. Если не известно распределение погрешностей оценки искомой величины, способы нахождения доверительных границ случайной погрешности могут быть указаны в методике измерений с учетом того, что подобные измерения повторяют. При числе результатов измерений 15 < n < 50 для проверки принадлежности 80 их к нормальному распределению предпочтителен составной критерий. При числе результатов измерений n > 50 для проверки принадлежности их к нормальному распределению предпочтителен один из критериев χ2 К. Пирсона или ω2 Мизеса – Смирнова. Доверительные границы ε (без учета знака) случайной погрешности оценки измеряемой величины вычисляют по формуле (6.20) где t – коэффициент Стьюдента, который в зависимости от доверительной вероятности P и числа результатов измерений n находят по таблице. 6.2.6 Проверка гипотезы о нормальности распределения результатов измерений при числе результатов наблюдений 15 < n < 50 При числе результатов наблюдений 15 < n < 50 нормальность их распределения проверяют при помощи составного критерия. ~ Критерий 1. Вычисляют отношение d n ~ xi A ~ d i1 , nS где S – смещенная оценка среднего квадратического отклонения, вычисляемая по формуле n ~2 ( xi A) S i1 . n Результаты наблюдений группы можно считать распределенными нормально, если ~ d d d , 1 q/2 q/2 где d 1 q / 2 и d q / 2 – квантили распределения, получаемые из таблицы 6.1 по n, q/2 и (1 – q/2), причем q – заранее выбранный уровень значимости критерия. 81 Таблица 6.1 – Квантили d1 q / 2 и d q / 2 распределения (1 – q1/2)100 % q1/2 100 % n 16 21 26 31 36 41 46 51 1% q1/2 100 % 1% 0,9137 0,9001 0,8901 0,8826 0,8769 0,8722 0,8682 0,8648 5% (1 – q1/2)100 % 5% 0,8884 0,8768 0,8686 0,8625 0,8578 0,8540 0,8508 0,8481 95 % n 99 % q1/2 100 % 1% 0,6829 0,6950 0,7040 0,7110 0,7167 0,7216 0,7256 0,7291 0,7236 0,7304 0,7360 0,7404 0,7440 0,7470 0,7496 0,7518 Критерий 2. Можно считать, что результаты наблюдений принадлежат ~ нормальному распределению, если не более m разностей x i A превысили значение z P / 2 S , где S – оценка среднего квадратического отклонения, вычисляемая по формуле n ~ 2 ( xi A) S i 1 , n 1 где z P / 2 – верхняя квантиль распределения нормированной функции Лапласа, отвечающая вероятности Р/2. Значения Р определяют из таблицы 6.2 по выбранному уровню значимости q2 и числу результатов наблюдений n. Зависимость zP/2 от Р приведена в таблице 6.3. В случае если хотя бы один из критериев не соблюдается, то считается, что распределение результатов измерений группы не соответствует нормальному. Таблица 6.2 – Значения P для вычисления zP/2 n m 10 11–14 15–20 21–22 1 1 1 2 1% 0,98 0,99 0,99 0,98 82 q2 100 % 2% 0,98 0,98 0,99 0,97 5% 0,96 0,97 0,98 0,96 23 24–27 28–32 33–35 36–49 2 2 2 2 2 0,98 0,98 0,99 0,99 0,99 0,98 0,98 0,98 0,98 0,99 0,96 0,97 0,97 0,98 0,98 Таблица 6.3 – Значения zP/2 Р 0,96 zP/2 2,06 Р 0,98 zP/2 2,33 0,97 2,17 0,99 2,58 6.2.7 Доверительные границы неисключенной систематической погрешности Неисключенная систематическая погрешность (далее – НСП) оценки измеряемой величины образуется из составляющих, в качестве которых могут быть приняты НСП: метода; средства измерений; вызванные другими источниками. В качестве границ составляющих НСП принимают, например, пределы допускаемых основных и дополнительных погрешностей средств измерений, если случайные составляющие погрешности пренебрежимо малы. Границу НСП оценки измеряемой величины при наличии менее трех (m 3) НСП, каждая из которых представлена границами , оценивают по формуле: . (6.21) При числе составляющих НСП более или равном трем (m ) доверительные границы НСП оценки измеряемой величины вычисляют путем построения композиции НСП. При равномерном распределении НСП доверительные границы допускается вычислять по формуле (6.22) где – граница -й НСП; 83 – коэффициент, определяемый принятой доверительной вероятностью, числом составляющих НСП и их соотношением между собой. Для доверительной вероятности P = 0,95 коэффициент k пренебрежимо мало зависит от числа составляющих НСП и их соотношения, поэтому при указанной доверительной вероятности коэффициент k принимают равным 1,1. Для доверительной вероятности P = 0,99 коэффициент принимают равным 1,4, если число суммируемых НСП более четырех (m 4). Если же число суммируемых НСП равно четырем или менее четырех (m 4), то коэффициент k определяют по графику зависимости, приведенному на рисунке 6.5, где ось абсцисс соответствует значениям отношения . На рисунке кривая 1 соответствует m = 2; кривая 2 – m = 3; кривая 3 – m = 4. Рисунок 6.5 – Зависимость k = f(m, l) При трех или четырех суммируемых НСП в качестве θ1 принимают составляющую, по числовому значению наиболее отличающуюся от других, в качестве θ2 следует принять ближайшую к θ1 составляющую. Если НСП появляется в результате исключения систематической погрешности от воздействия влияющей величины Y на измеряемую величину, то при исключении систематической погрешности, возникающей из-за изменения этой влияющей величины, необходимо определить зависимость измеряемой величины от влияющей величины (например, X = f(Y)). В этом случае при вычислении границ НСП оценки измеряемой величины необходимо учитывать коэффициент влияния , получаемый при разложении функции влияния в ряд Тейлора. При наличии одной НСП, представленной границами, и второй НСП, представленной с коэффициентом влияния, формула (6.21) будет иметь вид: . 84 (6.23) При суммировании не более трех НСП m 3), полученных от воздействия влияющих величин (и при отсутствии НСП, возникающих при непосредственном влиянии систематической погрешности на измеряемую величину), формула (6.23) будет иметь вид: (6.24) При наличии числа μ НСП, представленных границами, и числа m – μ НСП, полученных от воздействия влияющих величин и представленных с коэффициентами влияния, формула (6.22) будет иметь вид: Доверительную вероятность для вычисления границ неисключенной систематической погрешности принимают той же, что при вычислении доверительных границ случайной погрешности результата измерения. 6.2.8 Доверительные границы погрешности оценки измеряемой величины Доверительные границы погрешности оценки измеряемой величины находят путем построения композиции распределений случайных погрешностей и НСП, рассматриваемых как случайные величины в соответствии с разделом 6.2.7. Если доверительные границы случайных погрешностей найдены в соответствии с разделом 6.2.5, границы погрешности оценки измеряемой величины Δ (без учета знака) вычисляют по формуле: (6.25) где K – коэффициент, зависящий от соотношения случайной составляющей погрешности и НСП. Суммарное среднее квадратическое отклонение оценки измеряемой величины вычисляют по формуле , (6.26) где – среднее квадратическое отклонение НСП, которое оценивают в зависимости от способа вычисления НСП по формуле: (6.27) где – границы НСП, которые определяют по одной из формул (6.21), (6.23), (6.24) или 85 (6,28) где – доверительные границы НСП, которые определяют по формуле (6.22); k – коэффициент, определяемый принятой доверительной вероятностью, числом составляющих НСП и их соотношением между собой. Коэффициент k для подстановки в формулу (6.25) в зависимости от числа НСП определяют по эмпирическим формулам соответственно: , 6.2.9 Форма записи оценки измеряемой величины Оформление записи оценок измеряемых величин проводят в соответствии с правилами по межгосударственной стандартизации. При симметричных доверительных границах погрешности оценку измеряемой величины представляют в форме (6.29) где – оценка измеряемой величины. Числовое значение оценки измеряемой величины должно оканчиваться цифрой того разряда, что и значение погрешности . При отсутствии данных о виде функций распределений составляющих погрешности оценки измеряемой величины и необходимости дальнейшей обработки результатов измерений или анализа погрешностей оценки измеряемой величины представляют в форме n; . 6.3 Определение результатов косвенных измерений и оценивание их погрешностей Искомое значение физической величины А находят на основании результатов измерений аргументов а1, ..., аi, ..., аm, связанных с искомой величиной уравнением: A = f(а1, ..., аi, ..., аm). 86 (6.30) Функция f должна быть известна из теоретических предпосылок или установлена экспериментально с погрешностью, которой можно пренебречь. Результаты измерений аргументов и оценка их погрешностей могут быть получены из прямых, косвенных, совокупных, совместных измерений, сведения об аргументах могут быть взяты из справочной литературы, технической документации. При оценивании доверительных границ погрешностей результата косвенного измерения обычно принимают вероятность, равную 0,95 или 0,99. Использование других вероятностей должно быть обосновано. Основные положения рекомендации устанавливаются для оценивания косвенно измеряемой величины и погрешностей результата измерения: при линейной зависимости и отсутствии корреляции между погрешностями измерений аргументов; при нелинейной зависимости и отсутствии корреляции между погрешностями измерений аргументов; для коррелированных погрешностей измерений результатов при наличии рядов отдельных значений измеряемых аргументов. 6.3.1 Критерий отсутствия корреляционной связи между погрешностями результатов измерений аргументов При условии, что распределение случайных погрешностей результатов измерений аргументов не противоречит нормальному распределению, критерием отсутствия корреляционной связи между погрешностями результатов измерений аргументов является выполнение неравенства: ~ r ( n 2) tq , (6.31) 2 ~ (1 r ) где tq – коэффициент Стьюдента, соответствующий уровню значимости q и числу степеней свободы f = n – 2. Оценка коэффициента корреляции между погрешностями аргументов ah и aj рассчитывается по формуле: n ~ r где (a a~ )( a a~ ) i 1 hi h ji j n n 2 ~ ~ 2 ( a hi a h ) ( a ji a j ) i 1 i 1 , ahi, aji – результаты i-го измерения h-го и j-го аргументов; 87 (6.32) nj = ni = n – число измерения каждого из аргументов. Если измеряемая величина зависит от m аргументов, необходимо проверить отсутствие корреляционных связей между погрешностями всех парных сочетаний аргументов. 6.3.2 Косвенные измерения при линейной зависимости Искомое значение А связано с m измеряемыми аргументами a1, a2, ..., am уравнением: A b1 a1 b2 a 2 ... bm a m , (6.33) где b1, b2, ..., bm – постоянные коэффициенты при аргументах a1, a2, ..., am соответственно. Корреляция между погрешностями измерения аргументов отсутствует. Если коэффициенты b1, b2, ..., bm определяют экспериментально, то задача определения результата измерения величины решается поэтапно: сначала оценивают каждое слагаемое bi ai как косвенно измеряемую величину, полученную в результате произведения двух измеряемых величин, затем находят оценку измеряемой величины А. Результат косвенного измерения A~ вычисляют по формуле: ~ m A bi a~i , (6.34) i 1 где a~i – результат измерения аргумента a i ; m – число аргументов. Среднее квадратическое отклонение результата косвенного измерения ~ S (A) вычисляют по формуле: ~ S ( A) m b S (a~ ) , i 1 2 i 2 i (6.35) где S ( a~i ) – среднее квадратическое отклонение результата измерения аргумента ai . Доверительные границы случайной погрешности результата косвенного измерения при условии, что распределения погрешностей результатов измерений аргументов не противоречат нормальным распределениям, вычисляют (без учета знака) по формуле: ~ ( p ) t q S ( A) , (6.36) 88 где tq – коэффициент Стьюдента, соответствующий доверительной вероятности P = 1 – q и числу степеней свободы fэф, вычисляемому по формуле: 2 m bi4 S 4 (a~i ) m 2 2 ~ bi S (ai ) 2 ( n 1 ) i 1 i i 1 f эф , 4 4 ~ m bi S (ai ) (ni 1) i 1 (6.37) где ni – число измерений при определении аргумента ai. Границы неисключенной систематической погрешности результата косвенного измерения вычисляют следующим образом. Если неисключенные систематические погрешности результатов измерений аргументов заданы границами i, то доверительные границы неисключенной систематической погрешности результата косвенного измерения (р) (без учета знака) при вероятности Р вычисляют по формуле: ( p ) k m b , i 1 2 i 2 i (6.38) где k – поправочный коэффициент, определяемый принятой доверительной вероятностью и числом m составляющих i. При доверительной вероятности Р = 0,95 поправочный коэффициент k принимают равным 1,1. При доверительной вероятности Р = 0,99 поправочный коэффициент k принимают равным 1,4, если число суммируемых составляющих m > 4. Если же число составляющих m 4, то поправочный коэффициент k 1,4. Более точное значение k можно найти с помощью графика зависимости: k k (l , m) , (6.39) где m – число суммируемых составляющих (аргументов); l – параметр, зависящий от соотношения границ составляющих. Если границы неисключенных систематических погрешностей результатов измерений аргументов заданы доверительными границами, соответствующими вероятностям Pi (границы неисключенных систематических погрешностей результатов измерений аргументов вычислены по формуле (6.38), то границы неисключенной систематической погрешности результата косвенного измерения для вероятности Р вычисляют (без учета знака) по формуле: 2 i2 ( P) ( P) k bi 2 . ki i 1 m 89 (6.40) Для вероятности Р = 0,95 ki = 1,1; для вероятности Р = 0,99 значения коэффициентов ki определяют по методике, приведенной выше. Погрешность результата косвенного измерения оценивают на основе композиции распределений случайных и неисключенных систематических погрешностей. ~ Если ( P) / S ( A) 8 , то за погрешность результата косвенного измерения принимают неисключенную систематическую погрешность измерения и ее границы, вычисленные по методике, приведенной выше. ~ Если ( P) / S ( A) 0,8 , то за погрешность результата косвенного измерения принимают случайную составляющую погрешности. ~ Если 0,8 ( P) / S ( A) 8 , то доверительную границу погрешности результата косвенного измерения (Р) вычисляют (без учета знака) по формуле: ( P) K ( P) ( P), (6.41) где К – коэффициент, зависящий от доверительной вероятности и от отношения ~ ( P) / S ( A) . ~ Значения коэффициента К в зависимости от отношения ( P) / S ( A) для вероятности Р = 0,95 и Р = 0,99 приведены в таблице 6.4. Таблица 6.4 – Значения коэффициентов ~ ( P) / S ( A) К (для Р = 0,95) К (для Р = 0,99) 0,5 0,75 1 2 3 4 5 6 7 8 0,81 0,77 0,74 0,71 0,73 0,76 0,78 0,79 0,80 0,81 0,87 0,85 0,82 0,80 0,81 0,82 0,83 0,83 0,84 0,85 6.3.3 Косвенные измерения при нелинейной зависимости Для косвенных измерений при нелинейных зависимостях и некоррелированных погрешностях измерений аргументов используют метод линеаризации. Метод линеаризации предполагает разложение нелинейной функции в ряд Тейлора: f f ( a1 ,..., a m ) f ( a~1 ,..., a~m ) a i R , i 1 a i m (6.42) где f ( a1 ,..., a m ) – нелинейная функциональная зависимость измеряемой вели- ~ чины A от измеряемых аргументов a i ; f / a i – первая производная функции 90 f по аргументу a i , вычисленная в точке a~1 ,..., a~m ; a i – отклонение аргумента a i от среднего арифметического; R – остаточный член. Метод линеаризации допустим, если можно пренебречь остаточным чле- 1 m 2 f ( a i a j ) пренебрегают, если: ном R. Остаточным членом R 2 i , j 1 a i a j m f 2 2 ~ R 0,8 S (ai ) , i 1 ai (6.43) где S ( a~i ) – среднее квадратическое отклонение случайной погрешности результата измерения ai -го аргумента. Отклонения a i при этом должны быть взяты из полученных значений погрешностей и такими, чтобы они максимизировали выражение для остаточного члена R. ~ Результат измерения A вычисляют по формуле: ~ A f (a~1 ,..., a~m ) . (6.44) Среднее квадратическое отклонение случайной погрешности результата ~ косвенного измерения S ( A ) вычисляют по формуле: ~ S ( A) m f 2 S 2 ( a~i ) . i 1 a i (6.45) Доверительные границы случайной погрешности результата измерений при условии, что распределение погрешностей результатов измерений аргументов не противоречит нормальным распределениям, вычисляют по формуле: ~ ( p ) t q S ( A) , (6.46) где tq – коэффициент Стьюдента, рассчитанный по формуле, приведенной выше, в которую вместо коэффициентов b1, b2, ..., bm подставляют первые производные f / a1 , f / a 2 ,..., f / a m соответственно. Границы неисключенной систематической погрешности результата косвенного измерения вычисляют так же по формуле, приведенной выше, в которую вместо коэффициентов b1, b2, ..., bm подставляют первые производные f / a1 , f / a 2 ,..., f / a m соответственно. Погрешность результата косвенного измерения в данном случае оценивают как и при линейной зависимости. 91 6.3.4 Метод приведения При наличии корреляции между погрешностями измерений аргументов для определения результатов косвенного измерения и его погрешности используют метод приведения, который предполагает наличие ряда отдельных значений измеряемых аргументов, полученных в результате многократных измерений. Этот метод можно также применять при неизвестных распределениях погрешностей измерений аргументов. Метод основан на приведении ряда отдельных значений косвенно измеряемой величины к ряду прямых измерений. Получаемые сочетания отдельных результатов измерений аргументов подставляют в формулу: A = f(а1, ..., аi, ..., аm) (6.47) и вычисляют отдельные значения измеряемой величины A: A1, …, Aj, ..., AL. ~ Результат косвенного измерения A вычисляют по формуле: ~ L Aj A , (6.48) j 1 L где L – число отдельных значений измеряемой величины; Aj – j-е отдельное значение измеряемой величины, полученное в результате подстановки j-го сочетания согласованных результатов измерений аргументов в формулу (6.30). Среднее квадратическое отклонение случайных погрешностей результата косвенного измерения вычисляют по формуле: ~ S ( A) L ~ ( A j A) 2 L( L 1) . (6.49) j 1 Доверительные границы случайной погрешности для результата измерения вычисляют по формуле: ~ T S ( A) , (6.50) где Т – коэффициент, зависящий от вида распределения отдельных значений измеряемой величины А и выбранной доверительной вероятности. При нормальном распределении отдельных значений измеряемой величины доверительные границы случайной погрешности вычисляют в соответствии с ГОСТ Р 8.736-2011. Границы неисключенной систематической погрешности результата косвенных измерений вычисляют по соответствующей методике в зависимости от вида уравнения A = f(а1, ..., аi, ..., аm). 92 Доверительные границы погрешности результата косвенного измерения вычисляют как при линейной зависимости. 6.3.5 Форма представления результата измерения Если границы погрешности результата измерения симметричны, то результат измерения и его погрешность представляют в виде: ~ A ( P ) . (6.51) Если предполагается исследование и сопоставление результатов измерений и анализ погрешностей, то результат измерения и его погрешность представляют в виде: ~ ~ A, S ( A), n, ( P) , (6.52) где n – число измерений того аргумента, при измерении которого выполнено минимальное число измерений. 93 Контрольные вопросы к главе 6 1. В чем заключаются особенности случайной погрешности? Как можно оценить ее значение? 2. Перечислите свойства интегральной и дифференциальной функций распределения случайной величины. 3. Назовите числовые параметры законов распределения. 4. Каким образом может задаваться центр распределения? 5. Что такое моменты распределения? Какие из них нашли применение в метрологии? 6. Назовите основные классы распределений, используемых в метрологии. 7. Что такое нормальное распределение? Почему оно играет особую роль в метрологии? 8. Что такое функция Лапласа и для чего она используется? 9. Где используется семейство распределений Стьюдента? 10. Что такое доверительный интервал? Какие способы его задания вам известны? 11. Что такое уровень значимости? 12. С какой целью производится обработка результатов многократных измерений? 13. Какие критерии используются для проверки соответствия опытного распределения нормальному? 14. В каком виде записывается результат прямого измерения? 15. Как вычисляется результат косвенного измерения? 16. Как определяется СКО результата косвенного измерения при отсутствии корреляции между погрешностями? 17. В какой форме представляются результаты косвенного измерения? 94 7 Систематические погрешности 7.1 Систематические погрешности и их классификация Систематической погрешностью называется составление погрешностей, которые остаются постоянными или закономерно изменяются при повторных измерениях одной и той же величины. Считается, что систематические погрешности могут быть обнаружены и исключены из результата измерения. Однако в реальных условиях полностью исключить систематическую составляющую погрешности невозможно. Всегда остаются какие-то неисключенные остатки, которые нужно учитывать, чтобы оценить их границы. То есть систематическая погрешность тоже случайна и деление погрешности на систематические и случайные обусловлено традициями обработки и представления результатов измерения. Оставшиеся необнаруженные систематические составляющие погрешности опаснее случайных: если случайные составляющие вызывают разброс результатов, то систематическая – устойчиво их искажает. Систематическую погрешность принято рассматривать по составляющим, в зависимости от источника ее возникновения, причем различают методическую, инструментальную и субъективную составляющие погрешности. По характеру изменения во времени они делятся на постоянные и переменные. Постоянными называются такие погрешности измерения, которые остаются неизменными в течение всей серии измерений. Например, погрешность оттого, что неправильно установлен ноль стрелочного электроизмерительного прибора, погрешность от постоянного дополнительного веса на чашке весов и т. д. Переменными называются погрешности, изменяющиеся в процессе измерения. Они делятся на монотонно изменяющиеся, периодические и изменяющиеся по сложному закону. Если в процессе измерения систематическая погрешность монотонно возрастает или убывает, ее называют монотонно изменяющейся. Например, она имеет место при постепенном разряде батареи, питающей средство измерений. Периодической называется погрешность, значение которой является периодической функцией времени. Примером может служить погрешность, обусловленная суточными колебаниями напряжения силовой питающей сети, температуры окружающей среды и др. Систематические погрешности могут изменяться и по более сложному закону, обусловленному какими-либо внешними причинами. 95 Методы уменьшения систематической составляющей погрешности рассмотрены ниже. 7.2 Методы уменьшения систематических погрешностей измерений Исключение систематических погрешностей – одна из главных задач при планировании, подготовке, проведении измерений и обработке их результатов. На этапе планирования и подготовки измерений принципиальным является выбор метода и средства измерений, определение источников и разновидностей систематических погрешностей и при необходимости – осуществление мероприятий по уменьшению влияющих факторов (термостатирование, экранирование и т. д.). 7.2.1 Введение поправок Характерной особенностью систематической погрешности является принципиальная возможность ее определения и последующего учета в виде поправок к результату измерения. Поправка п – значение величины, одноименной измеряемой, прибавляемое к полученному при измерении величины хи для исключения систематической погрешности. Знак поправки противоположен знаку погрешности п = –с. Иногда вместо поправки используют поправочный множитель п – число, на которое умножают полученное при измерении значение, чтобы исключить систематическую погрешность. Поправку или поправочный множитель определяют либо путем индивидуальной градуировки средств измерений, либо путем учета функции влияния величин, имеющих известные или контролируемые при измерениях значения. Другим способом уменьшения систематических погрешностей является коррекция статической характеристики средства измерения перед проведением измерений. При этом на вход прибора последовательно подают образцовую измеряемую величину с нулевым значением и значением, равным конечному значению диапазона измерения (обычно от специальной меры, встроенной в прибор). Это позволяет устранить как аддитивную, так и мультипликативную составляющие погрешности. 96 7.2.2 Специальные методы измерения Систематическую погрешность можно существенно уменьшить, используя специальные методы измерения, например метод замещения и компенсации погрешности по знаку. При методе замещения сначала измеряют неизвестную величину, а затем одноименную воспроизводимую регулируемой мерой. Регулируя меру, добиваются тех же показаний прибора хп, что и при измерении неизвестной величины. Тогда значение хм – величина, воспроизводимая мерой, равна измеряемой и систематическая погрешность исключается. Для компенсации погрешности по знаку проводят два измерения одной и той же величины х таким образом, чтобы систематическая погрешность была с разными знаками. Результат измерения определяется как полусумма полученных показаний хп1 и хп2 и не содержит систематической погрешности: 0,5(хп1 + хп2) = 0,5[(х + с) + (х – с)] = х. Эффективным способом уменьшения систематических погрешностей является их рандомизация, то есть перевод в случайные. Например, если измерять напряжение несколькими вольтметрами разных типов и усреднять результаты измерений, то можно ожидать, что систематические погрешности (методические и инструментальные), присущие каждому прибору вследствие случайного выбора приборов, в какой-то мере компенсируются. Этого же эффекта можно добиться, изменяя случайным образом методику и условия эксперимента или параметры, от которых не зависит значение измеряемой величины, но могут зависеть систематические погрешности этой величины. Указанные выше методы исключения систематических погрешностей находят применение главным образом в лабораторной практике – их применение в автоматических измерительных устройствах и информационноизмерительных системах в производственных условиях в большинстве случаев невозможно. 7.3 Конструктивные, структурные и алгоритмические методы уменьшения погрешностей Общим методом, пригодным для уменьшения погрешностей, является конструктивно-технологический метод, основанный на выявлении причин и источников наиболее существенных погрешностей и снижении их влияния. В конструктивно-технологическом методе используются такие приемы, как тер97 мостатирование, применение малошумящих электронных компонентов, использование прецизионных элементов и узлов, материалов со стабильными характеристиками, рационального конструирования и совершенной технологии изготовления средств измерений. Однако возможности указанного метода ограничены и его применение для достижения высоких точностей измерений приводит к резкому возрастанию стоимости средств измерений. В связи с этим получили развитие методы уменьшения переменных систематических погрешностей, основанные на использовании структурной и (или) временной избыточности. 7.3.1 Метод отрицательной обратной связи х СИ уос у ОП Рисунок 7.1 – Структурная схема СИ с отрицательной обратной связью На рисунке 7.1 приведена структурная схема, иллюстрирующая данный метод, где СИ – основное средство измерений; ОП – обратный преобразователь. Обратный преобразователь преобразует выходную величину y в величину xО.С., физически однородную с измеряемой величиной х. При отрицательной обратной связи на выходе СИ образуется разность (х – xО.С.). Предположим, что СИ и ОП имеют линейные функции преобразования: y k x; x O . C . y , (7.1) где k и – коэффициенты преобразования (чувствительности) СИ и ОП соответственно. Тогда при включении отрицательной обратной связи получим функцию преобразования: (7.2) y kO.C. x , где k O.C . k 1 k – коэффициент преобразования с обратной связью. Очевидно, что введение отрицательной обратной связи привело к уменьшению коэффициента преобразования (чувствительности) в (1 k ) раз. При использовании глубокой обратной связи ( k 1 ) получим kO.C. 1 , т. е. коэффициент передачи kO.C. определяется только коэффициентом передачи ОП. 98 Оценим погрешность, вызванную нестабильностью параметров k и . Из формулы (7.2) получим: y y y x k2x k k , k 1 k 2 1 k 2 (7.3) или, переходя к относительным погрешностям: y где y y k ; k ; y k k 1 k , 1 k 1 k (7.4) . Погрешности k и представляют собой относительные мультиплика- тивные погрешности СИ и ОП соответственно. Из формулы (7.4) следует, что введение отрицательной обратной связи уменьшает исходную мультипликативную погрешность в 1 k раз, однако при этом добавляется погрешность, создаваемая ОП. При k 1 получим y , т. е. мультипликативная погрешность определяется практически погрешностью ОП. Следовательно, данный метод целесообразно применять в том случае, когда ОП существенно точнее СИ. Нетрудно заметить, что обратная связь уменьшает абсолютную аддитивную погрешность на выходе СИ в (1 k ) раз, однако во столько же раз уменьшается и значение выходной величины y, а следовательно, относительная погрешность не изменяется. Применение отрицательной обратной связи позволяет уменьшить не только мультипликативную погрешность, но и погрешность нелинейности. Необходимо отметить, что увеличение глубины обратной связи приводит к изменению динамических свойств замкнутой системы: ухудшается качество переходных процессов, снижается запас устойчивости. Данный метод находит широкое применение при измерениях электрических величин (напряжений, токов), где создание точных преобразователей не вызывает трудностей. 7.3.2 Методы вспомогательных измерений Идея метода иллюстрируется на рисунке 7.2, где СИ – основное средство измерений; ВСИ1, ВСИ2, …, ВСИn – вспомогательные средства измерений, ВУ – вычислительное устройство. 99 ψ1 ψ2 ψ3 ВСИ1 ВСИ2 ВУ ∆уn ВСИn х у ук СИ + Рисунок 7.2 – Метод вспомогательных измерений Предположим, что погрешность средства измерений вызывается воздействием внешних факторов 1, 2 , ..., n , причем зависимость этой погрешности от значений внешних факторов известна: y F 1, 2 , ..., n . (7.5) В данном случае осуществляется коррекция погрешности средства измерений путем использования значений каждого из факторов i , полученных с помощью ВСИ1, ВСИ2, …, ВСИn. По этим значениям вычислительное устройство вычисляет значение поправки yn , необходимой для коррекции погрешности, по (7.5). Вместо введения поправки выходная величина ВУ может быть использована для управления параметрами средства измерений (самонастройка). Метод вспомогательных измерений применим для снижения влияния тех дестабилизирующих факторов, которые могут быть легко учтены. Кроме того, для осуществления коррекции погрешности необходимо знать зависимость погрешности средства измерений от этих факторов. Недостатком метода вспомогательных измерений является также то, что для снижения влияния каждого фактора требуется отдельное вспомогательное средство измерений. Указанные недостатки существенно сужают область практического использования данного метода. Фактически метод вспомогательных измерений представляет собой один из вариантов реализации принципа многоканальности, позволяющего обеспечить инвариантность выходной величины системы к тем или иным возмущающим воздействиям. 100 7.3.3 Итерационные методы Особенностью итерационных методов является то, что в процессе коррекции погрешности результат уточняется несколько раз, причем последующий результат получается из предыдущего. Таким образом, результат измерений получается путем последовательных приближений. В зависимости от используемых в процессе коррекции операций (сложение-вычитание или умножение-деление) различают аддитивные или мультипликативные алгоритмы коррекции. Итерационный алгоритм повышения точности может быть реализован либо путем поочередного выполнения необходимых операций (временное разделение), либо путем почти одновременного выполнения операций с помощью дополнительных функциональных блоков, объединенных в соответствующую структуру (пространственное разделение операций). В качестве примера рассмотрим итерационный алгоритм аддитивной коррекции с временным разделением операций, который иллюстрируется на рисунке 7.3. х 1 П СИ СИ уi 2 уос хi ОП Рисунок 7.3 – Итерационные методы Кроме основного средства измерений СИ, имеется точный обратный преобразователь ОП и вычислительное устройство ВУ. Процесс коррекции погрешностей осуществляется следующим образом. Сначала на вход СИ подается измеряемая величина х (переключатель П находится в положении 1), а соответствующее значение выходной величины у0 запоминается в ВУ. Затем величина у0 подается на вход ОП, а выход ОП подключается ко входу СИ (переключатель П находится в положении 2). При этом выходная величина СИ принимает значение y 0' , а ВУ вычисляет первую поправку y1 y0 y0' , затем вычисляется первый скорректированный результат y1 y0 y1 . На этом заканчивается первый цикл итерационной коррекции. Далее у1 подают на вход точного обратного преобразователя, измеряют величину х1 на его выходе, получая результат y1' , вычисляют вторую поправку y2 y1 y1' и второй скорректированный результат y2 y0 y2 . При необ101 ходимости описанный циклический процесс коррекции повторяют до достижения необходимой точности. Предположим, что СИ имеет функцию преобразования: (7.6) y k 1 x , где k – номинальный коэффициент преобразования; – относительная мультипликативная погрешность; – абсолютная аддитивная погрешность. Точный преобразователь должен иметь функцию преобразования: xi yi k . Тогда результат измерений после выполнения n циклов коррекции запишется в виде: yn k 1 1n n 1 x 1n n 1 . (7.7) Очевидно, что если 1 , то с увеличением числа n итерационных циклов происходит уменьшение по абсолютному значению и аддитивной, и мультипликативной погрешностей, причем погрешности уменьшаются тем быстрее, чем меньше . Поэтому данный алгоритм коррекции более эффективен для СИ, у которых преобладает аддитивная погрешность. Мультипликативные алгоритмы итерационной коррекции отличаются тем, что вместо вычисления аддитивной поправки в каждом цикле вычисляют поправочный множитель. При этом оказывается, что мультипликативные алгоритмы более эффективны для СИ, у которых преобладает мультипликативная погрешность. В том случае, когда СИ имеет значительные аддитивную и мультипликативную погрешности, может оказаться целесообразным применение комбинированного аддитивно-мультипликативного итерационного метода коррекции погрешностей. Достоинством итерационных методов является то, что с их помощью корректируется общая погрешность СИ независимо от причин, ее вызывающих. Очевидный недостаток этих методов состоит в необходимости применения достаточно точного обратного преобразователя, что ограничивает область их практического использования главным образом измерениями электрических величин. Итерационные алгоритмы с пространственным разделением операций применяются при создании точных измерительных усилителей. 102 7.3.4 Методы образцовых мер Методы основаны на определении в процессе цикла измерений реальных значений параметров функций преобразования СИ путем отключения от входа СИ измеряемой величины и подключения образцовых мер. В общем случае функция преобразования СИ с достаточной точностью описывается полиномом порядка n – 1: n y di xi 1 , (7.8) i 1 причем все погрешности СИ определяются изменениями параметров di. Процесс измерения состоит из n + 1 тактов. В первом такте измеряют величину х. Затем измеряемую величину отключают и в последующих тактах ко входу СИ поочередно подключают меры М1, М2, …, Мn, результаты у1, у2, …, уn измерения значений которых совместно с результатом у0 первого тактового измерения образуют систему уравнений: d i x i 1 ; i 1 n i 1 y1 d i M 1 ; i 1 ........................ n i 1 yn di M n . i 1 y0 n (7.9) Последние n уравнений системы позволяют вычислить все параметры d1, d2 , dn функции преобразования СИ. Подставляя найденные их значения в первое уравнение, находим из него значения измеряемой величины. В случае линейности функции преобразования СИ получим систему трех уравнений с тремя неизвестными d1, d2 , x , решение которой относительно х имеет вид: y y x M 1 M 2 M 1 0 1 . y2 y1 (7.10) Если нулевое значение х входит в диапазон измерений, то одна из образцовых мер может иметь нулевое значение (М1 = 0). При линейной функции преобразования СИ результаты измерения М1 = 0 и М2 могут быть использованы для автоматического изменения параметров функции преобразования СИ. Связь между выходной и входной величинами выражается зависимостью: y d1 j d 2 j x, j = 1, 2, …, m, 103 где m – число линейных участков, которыми может быть с требуемой точностью аппроксимирована функция преобразования СИ. В этом случае цикл измерений состоит также из трех тактов, а значение измеряемой величины вычисляется по формуле: y y (7.11) x M i M i 1 M i 0 1 . y2 y1 Образцовые меры Mi и Mi+1 выбираются из набора мер не произвольно, а в зависимости от результата первого тактового измерения, что иллюстрируется на рисунке 7.4. Очевидно, что при этом требуется m + 1 образцовых мер. у у2 у0 у1 0 Мi x Мi+1 xmax х Рисунок 7.4 – Функция преобразования СИ Методы образцовых мер позволяют уменьшить все составляющие систематической погрешности СИ (аддитивную, мультипликативную, погрешность нелинейности) независимо от причин их возникновения. Недостатком метода образцовых мер является необходимость периодического отключения измеряемой величины от входа СИ и подключения образцовых мер при существенной нелинейности функции преобразования СИ. Реальной областью использования этих методов является область измерений электрических величин, так как при измерениях неэлектрических величин возникает трудность создания набора образцовых мер, однородных с измеряемой величиной; кроме того, не всегда возможно отключение измеряемой неэлектрической величины от входа средств измерений. 7.3.5 Тестовые методы Сущность тестовых методов повышения точности состоит в том, что в процессе цикла измерений получают информацию не только о значении измеряемой величины, но и о параметрах функции преобразования СИ в момент измерения. В отличие от методов образцовых мер, в тестовых методах при до104 полнительных измерениях используются тесты, формируемые с участием измеряемой величины. Это позволяет, во-первых, не отключать измеряемую величину от входа СИ и, во-вторых, использовать малое число образцовых величин даже при существенной нелинейности функции преобразования СИ. В общем случае функция преобразования СИ описывается полиномом порядка n – 1 (7.8), содержащим n параметров di. Цикл измерений состоит из n + 1 тактов: в первом такте измеряется величина х, а в других тактах – тесты А1(х), А2(х), ..., Аn(х), каждый из которых является некоторой функцией измеряемой величины х. Результаты измерений образуют систему уравнений: i 1 n i 1 y1 d i A1 x ; (7.12) i 1 .............................. n y n d i An x i 1. i 1 Решив систему уравнений (7.12), получим значения параметров d1, d2, ..., dn и искомое значение х. Сложность решения системы уравнений (7.12) существенно зависит от порядка полинома и вида используемых тестов Аj(х). Используемые в практике тесты можно разделить на три группы: аддитивные, мультипликативные и функциональные. Аддитивные тесты формируются в виде суммы: A j x x j , (7.13) n y 0 d i x i 1 ; где j – образцовая величина, физически однородная с измеряемой. Мультипликативные тесты формируются в виде произведения: A j x k j x , (7.14) где kj – известный коэффициент преобразования. Очевидно, что аддитивные и мультипликативные тесты представляют собой частные случаи функциональных тестов, в которых Аj(х) представляет собой произвольную известную функцию. Функциональные тесты используются сравнительно редко и главным образом при измерениях электрических величин. 105 Наиболее широкое применение нашли аддитивные и мультипликативные тесты, которые легко реализуются как для электрических, так и для неэлектрических величин. С практической точки зрения важным является вопрос о возможности использования только аддитивных или только мультипликативных тестов. Доказано, что, используя только мультипликативные тесты, нельзя определить все параметры di функции преобразования, так как при этом система уравнений (7.12) имеет бесконечно много решений. Только аддитивные тесты позволяют решить поставленную задачу лишь в том частном случае, когда хотя бы один из параметров di функции преобразования СИ равен нулю, например для функции преобразования вида x di d 2 x 2 . В общем случае (все di 0 ) необходимо применять как аддитивные, так и мультипликативные тесты, причем значение х будет вычисляться наиболее просто в том случае, когда используется один тест одного вида, а остальные n – 1 тестов – другого. В качестве примера рассмотрим использование кусочно-линейной аппроксимации функции преобразования СИ. В этом случае необходимо формирование двух тестов: аддитивного и мультипликативного. Соответствующая структурная схема приведена на рисунке 7.5. Кл2 + х БАТ СИ ВУ Кл2 БМП Рисунок 7.5 – Структурная схема СИ с коррекцией погрешности тестовым методом Кроме средства измерений СИ и вычислительного устройства ВУ, структурная схема включает в себя блок формирования аддитивного теста БМТ и коммутирующие ключи Кл1, Кл2, Кл3. Процесс измерения состоит из трех тактов. В первом ключи Кл1 и Кл3 разомкнуты, а ключ Кл2 замкнут и на вход СИ подается непосредственно измеряемая величина х. Во втором такте замыкается Кл1 и на вход СИ подается 106 аддитивный тест х + . В третьем такте ключ Кл2 размыкается, а Кл3 замыкается, при этом на вход СИ подается мультипликативный тест kx. Результаты тактовых измерений запишем в виде системы: y 0 d1 j d 2 j x y1 d1 j d 2 j x . y 2 d1 j d 2 j kx (7.15) Решив систему относительно х, получим: y y x 2 0 y1 y0 . (7.16) k 1 Вычислительное устройство запоминает значения у0, у1, у2 и вычисляет значение х по (7.16). Так как вычисленное значение х не зависит от параметров d1j, d2j функции преобразования СИ на j-м участке аппроксимации, то можно сделать вывод о том, что исключается аддитивная и мультипликативная погрешности и существенно уменьшается погрешность нелинейности СИ. Получение результатов тактовых измерений в соответствии с (7.16) иллюстрируется на рисунке 7.6. у у1 у0 у2 0 f y= kx x X+Θ (x) х Рисунок 7.6 – Функция преобразования СИ Функция преобразования y = f(x) аппроксимируется кусочно-линейно, причем любой j-й интервал аппроксимации не имеет фиксированных границ, а определяется интервалом, на котором расположены значения х, х + , kx. При изменении значения х и при постоянных и k происходит одновременное смещение всех трех точек на новый участок аппроксимации. В связи с этим, несмотря на нелинейность функции преобразования, требуются только две точные величины: и k. При значительной нелинейности функции преобразования СИ для достижения высокой точности измерений может потребоваться применение кусочно-параболической аппроксимации функции преобразования. В этом случае 107 необходимо формировать еще один тест и провести еще одно тактовое измерение. Таким образом, в большинстве практических случаев тестовые методы требуют формирования небольшого числа тестов (2–3), а следовательно, использования небольшого числа образцовых величин. Малое число тестов и отсутствие необходимости отключения измеряемой величины от входа СИ позволяет использовать тестовые методы для повышения точности измерения как электрических, так и неэлектрических величин. Контрольные вопросы к главе 7 Дайте определение систематической погрешности. Приведите примеры. Дайте определение исправленного результата измерений. Приведите классификацию систематических погрешностей. Назовите способы выявления постоянных систематических погрешностей. Какие методы уменьшения систематической погрешности вы знаете? Дайте определение поправки. Какие специальные методы измерения вы знаете? В чем заключается конструктивно-технологический метод уменьшения систематической погрешности? 9. Какую погрешность позволяет уменьшить метод отрицательной обратной связи? При измерении каких величин он используется? 10. В каком случае можно использовать метод вспомогательных измерений? 11. В чем заключается сущность итерационных методов коррекции? Какие алгоритмы коррекции вы знаете? 12. В чем заключается достоинство тестовых методов коррекции? Приведите структурную схему СИ с коррекцией погрешности тестовым методом. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 108 8 Грубые погрешности и методы их исключения 8.1 Понятие о грубых погрешностях Грубая погрешность, или промах – это погрешность результата отдельного измерения, входящего в ряд измерений, который для данных условий резко отличается от остальных результатов этого ряда. Источником грубых погрешностей нередко бывают резкие изменения условий измерения и ошибки, допущенные оператором. К ним можно отнести: неправильный отсчет по шкале измерительного прибора, происходящий из-за неверного учета цены малых делений шкалы; неправильная запись результата наблюдений, значений отдельных мер использованного набора, например гирь; хаотические изменения параметров питающего СИ напряжения, например его амплитуды или частоты. Грубые погрешности, как правило, возникают при однократных измерениях и обычно устраняются путем повторных измерений. Корректная статистическая обработка выборки возможна только при ее однородности, т. е. в том случае, когда все ее члены принадлежат к одной и той же генеральной совокупности. В противном случае обработка данных бессмысленна. «Чужие» отсчеты по своим значениям могут существенно не отличаться от «своих» отсчетов. Их можно обнаружить только по виду гистограмм или дифференциальных законов распределения. Наличие таких аномальных отсчетов принято называть загрязнениями выборки, однако выделить члены выборки, принадлежащие каждой из генеральных совокупностей, практически невозможно. Если «свои» и «чужие» отсчеты различаются по значениям, то их исключают из выборки (рисунок 8.1 а). Особую неприятность доставляют отсчеты, которые хотя и не входят в компактную группу основной массы отсчетов выборки, но и не удалены от нее на значительное расстояние, – так называемые предполагаемые промахи (рисунок 8.1 б). Отбрасывание «слишком» удаленных от центра выборки отсчетов называется цензурированием выборки. Это осуществляется с помощью специальных критериев. 109 p б) a) x x Рисунок 8.1 – Проявление промахов на дифференциальном законе распределения вероятности 8.2 Критерии исключения грубых погрешностей При однократных измерениях обнаружить промах не представляется возможным. Для уменьшения вероятности появления промахов измерения проводят два-три раза и за результат принимают среднее арифметическое полученных отсчетов. При многократных измерениях для обнаружения промахов используют статистические критерии, предварительно определив, какому виду распределения соответствует результат измерений. Вопрос о том, содержит ли результат наблюдений грубую погрешность, решается общими методами проверки статистических гипотез. Проверяемая гипотеза состоит в утверждении, что результат наблюдения хi не содержит грубой погрешности, т. е. является одним из значений измеряемой величины. Пользуясь определенными статистическими критериями, пытаются опровергнуть выдвинутую гипотезу. Если это удается, то результат наблюдений рассматривают как содержащий грубую погрешность и его исключают. Для выявления грубых погрешностей задаются вероятностью (уровнем значимости) того, что сомнительный результат действительно мог иметь место в данной совокупности результатов измерений. Критерий Романовского применяется, если число измерений n < 20. При этом вычисляется отношение ( x xi ) / S x и сравнивается с критерием т, выбранным по таблице 8.1. Если > т, то результат xi считается промахом и отбрасывается. Пример 8.1. При диагностировании топливной системы автомобиля результаты пяти измерений расхода топлива составили: 22, 24, 26, 28, 30 л на 100 км. Последний результат вызывает сомнение. Проверить по критерию Романовского, не является ли он промахом. 110 Таблица 8.1 – Значения критерия Романовского β = f(n) при q, равной n 0,10 0,68 0,48 0,40 0,35 0,29 0,28 0,26 0,26 0,22 4 6 8 10 14 16 18 20 30 0,05 0,76 0,56 0,47 0,41 0,35 0,33 0,31 0,30 0,26 0,02 0,85 0,64 0,54 0,48 0,41 0,39 0,37 0,36 0,31 0,01 0,89 0,70 0,59 0,53 0,45 0,43 0,41 0,39 0,34 Найдем среднее арифметическое значение расхода топлива и его СКО без учета последнего результата, т. е. для четырех измерений. Они соответственно равны 25 и 2,6 л на 100 км. Поскольку n < 20, то по критерию Романовского при уровне значимости 0,01 и n = 4 табличный коэффициент = 1,73. Вычисленное для последнего, пятого измерения = |(25 – 30|/2,6 = 1,92 > 1,73. Критерий Романовского свидетельствует о необходимости отбрасывания последнего результата измерения. Вариационный критерий Диксона удобный и достаточно мощный (с малыми вероятностями ошибок). При его применении полученные результаты наблюдений записывают в вариационный возрастающий ряд х1, х2, ..., хn (х1 < х2 < … <. xn). Критерий Диксона определяется как кд = (хn – хn-1)/(хn – x1). Критическая область для этого критерия Р(кд > Zq) = q. Значения Zq приведены в таблице 8.2. Таблица 8.2 – Значения критерия Диксона q 0,01 0,02 0,05 0,10 n=4 1,73 1,72 1,71 1,69 n=6 2,16 2,13 2,10 2,00 n=8 2,43 2,37 2,27 2,17 n = 10 2,62 2,54 2,41 2,29 n = 12 2,75 2,66 2,52 2,39 n = 15 2,90 2,80 2,64 2,49 n = 20 3,08 2,96 2,78 2,62 Пример 8.2. Было проведено пять измерений напряжения в электросети. Получены следующие данные: 127,1; 127,2; 126,9; 127,6; 127,2 В. Результат 111 127,6 В существенно (на первый взгляд) отличается от остальных. Проверить, не является ли он промахом. Составим вариационный ряд из результатов измерений напряжения в электросети: 126,9; 127,1; 127,2; 127,2; 127,6 В. Для крайнего члена этого ряда (127,6 В) критерий Диксона: кд = (127,6 – 127,2) / (127,6 – 126,9) = 0,4 / 0,7 = 0,57. Как следует из таблицы 8.2, по этому критерию результат 127,6 В может быть отброшен как промах лишь на уровне значимости q = 0,10. Применение рассмотренных критериев требует осмотрительности и учета объективных условий измерений. Конечно, оператор должен исключить результат наблюдения с явной грубой погрешностью и выполнить новое измерение. Но он не имеет права отбрасывать более или менее резко отличающиеся от других результаты наблюдений. В сомнительных случаях лучше сделать дополнительные измерения. Критерий «трех сигм» применяется для результатов измерений, распределенных по нормальному закону. Поэтому считается, что результат, возникающий с вероятностью q ≤ 0,003, маловероятен и его можно считать промахом, если: x xi 3S x , где Sх – оценка СКО измерений. Величины | х | и Sх вычисляют без учета экстремальных значений хi. Данный критерий надежен при числе измерений n ≥ 20…50. Это правило обычно считается слишком жестким, поэтому рекомендуется назначать границу цензурирования в зависимости от объема выборки: при 6 < n ≤ 100 она равна 4Sх; при 100 < n ≤ 1000 – 4,5Sх; при 1000 < n ≤ 10000 – 5Sх. Данное правило также применимо для нормального закона. В общем случае границы цензурирования tгр Sх выборки зависят не только от объема n, но и от вида распределения. Назначая ту или иную границу, необходимо оценить уровень значимости q, т. е. вероятность исключения какойлибо части отчетов, принадлежащих обрабатываемой выборке. Приближенный расчет коэффициента tгр при уровне значимости q < 1/(n + 1) производится по формуле: t гр 1,55 0,8 1 lg( n / 10) , где ε – эксцесс распределения. Данные выражения применимы: для кругловершинных двухмодальных распределений с ε = 1,5, ..., 3, являющихся композицией дискретного двухзначного и нормального распределений; 112 островершинных двухмодальных распределений с ε = 1,5, ..., 6, являющихся композицией дискретного двухзначного распределения и распределения Лапласа; композиций равномерного и экспоненциальных распределений с показателем степени α = ½ при ε = 1,8, ..., 6; экспоненциальных распределений с ε = 1,5, ..., 6. Контрольные вопросы к главе 8 1. Что такое грубые погрешности и промахи? Как определить их присутствие в выборке по виду закона распределения или гистограмме? 2. Как применить критерий Романовского для исключения из выборки промахов? 3. Расскажите об использовании вариационного критерия Диксона для нахождения промахов. 4. Как применить критерий «трех сигм» для исключения грубой погрешности? 113 9 Суммирование погрешностей 9.1 Основы теории суммирования погрешностей Определение расчетным путем оценки результирующей погрешности по известным оценкам ее составляющих называется суммированием погрешностей. Главной проблемой, возникающей при суммировании, является то, что все составляющие погрешности должны рассматриваться как случайные величины. С точки зрения теории вероятностей они наиболее полно могут быть описаны своими законами распределения, а их совместное действие – соответствующим многомерным распределением. Однако в такой постановке задача суммирования погрешностей практически не разрешима уже для нескольких составляющих, не говоря о нескольких десятках. Практически приемлемый путь решения данной задачи суммирования погрешностей состоит в отказе от определения и использования многомерных функций распределения составляющих погрешности. Необходимо подобрать для характеристик составляющих такие числовые оценки (СКО, эксцесс и др.), оперируя которыми, можно было бы получить соответствующие числовые оценки результирующей погрешности. При этом следует учитывать, что: отдельные составляющие погрешности могут быть коррелированны между собой; при суммировании случайных величин их законы распределения существенно деформируются, т. е. форма закона суммы может резко отличаться от формы закона распределения составляющих. Правила суммирования погрешностей основываются на том, что погрешность по абсолютному значению всегда много меньше самой измеряемой величины. Поэтому изменение погрешности в зависимости от изменения измеряемой величины может быть учтено, если все суммируемые случайные и систематические составляющие погрешности разделить на аддитивные и мультипликативные. Сумма аддитивных составляющих даст значение аддитивной части результирующей погрешности, а сумма мультипликативных составляющих – значение мультипликативной части результирующей погрешности. Практические правила расчетного суммирования результирующей погрешности состоят в следующем. 1. Для определения суммарного значения СКО должны учитываться корреляционные связи различных составляющих погрешности. В связи с этим ис114 ходными данными для более точного расчета должны служить оценки именно всех отдельных составляющих погрешности, а не оценки некоторых суммарных погрешностей. 2. Для каждой составляющей должно быть найдено ее СКО. В большинстве случаев для этого необходимо знание или предположение о виде закона ее распределения. 3. Все суммируемые составляющие разделяются на аддитивные и мультипликативные составляющие, которые суммируются отдельно. 4. Так как в большинстве случаев точное значение коэффициента корреляции p найти невозможно, то все погрешности должны быть условно разделены: на сильно коррелированные при 0,7 < |p| < 1, для которых считают p = ±1 в зависимости от знака коэффициента корреляции; слабо коррелированные при 0 < |p| < 0,7, для которых p = 0. 5. Из суммируемых составляющих выделяются группы сильно коррелированных между собой погрешностей и внутри этих групп производится алгебраическое суммирование их оценок. 6. После алгебраического суммирования групп сильно коррелированных погрешностей суммарные по группам и оставшиеся вне групп погрешности можно считать некоррелированными и складывать по правилу геометрического суммирования. Для определения СКО суммарной погрешности при начальном значении измеряемой величины складывают лишь аддитивные составляющие, а для определения СКО погрешности в конце диапазона изменения измеряемой величины – все просуммированные выше составляющие. 7. Для перехода от СКО погрешности к доверительному значению должно быть вынесено суждение о форме закона распределения результирующей погрешности и тем самым выбрано значение квантильного множителя. Изложенная методика может быть несколько упрощена. Самым сложным в ней являются нахождение СКО всех составляющих по известным их интервальным оценкам и определение интервальной оценки результирующей погрешности по полученному СКО. В обоих случаях необходимо знание закона распределения погрешностей. Упрощение методики суммирования состоит в том, чтобы сделать эти переходы по возможности более простыми. Один из вариантов состоит в следующем. Согласно центральной предельной теореме, если число суммируемых независимых составляющих достаточно велико (практически при m 5) и если среди 115 этих составляющих нет существенно преобладающих над остальными, то результирующий закон распределения близок к нормальному. Однако предположение о близости закона распределения к нормальному без соответствующего анализа достаточно рискованно даже и при большом числе суммируемых составляющих. Тем не менее, при недостатке времени и невысоких требованиях к точности получаемого результата предположение о нормальности закона распределения результирующей погрешности вполне возможно. В этом случае доверительный интервал Z P S , где ZP – квантильный множитель, опреде- ляемый через функцию Лапласа; S – суммарное СКО или его оценка. Такой прием существенно снижает трудоемкость расчетов, но может вносить весьма значительные ошибки, если реальное распределение сильно отличается от нормального закона. В качестве другого пути упрощения перехода от СКО результирующей погрешности к ее интервальной оценке следует указать возможность использования доверительной вероятности PД = 0,9, при которой для большой группы различных распределений имеет место соотношение: 1,6 S . (9.1) Действительно, как показано, для широкого класса симметричных, высокоэнтропийных (К > 1,7) распределений, а именно для равномерного, треугольного, трапецеидальных, нормального, экспоненциальных с показателем степени 2 / 3 , двухмодальных с глубиной антимодальности менее 1,5, интегральные кривые F(x) в области 0,05 и 0,95 квантилей пересекаются между собой в очень узком интервале значений Х / S = 1,6 ± 0,05. Поэтому с погрешностью 0,05S можно считать, что квантили 0,05 и 0,95 для любых из этих распределений могут быть найдены как X 0,05 X Ц 1,6S и X 0,95 X Ц 1,6S , где XЦ – координата центра распределения; S – его СКО. Отсюда следует, что значение доверительного интервала, найденное по формуле (9.1), для любого из названных распределений является интервалом с 90%-й доверительной вероятностью. 9.2 Суммирование систематических погрешностей При определении границ систематическая погрешность оценивается по ее составляющим, называемым элементарными систематическими погрешностями. Если для части составляющих находят их оценки и эти погрешности устраняют введением поправок, то в качестве рассматриваемых элементарных 116 погрешностей выступают погрешности определения поправок, которые также характеризуются границами. Множество возможных способов измерений данной величины дает множество различных реализаций каждой элементарной систематической погрешности. Поэтому последние можно рассматривать как случайные величины и суммировать методами, разработанными в математической статистике. Однако поскольку их функции распределения, как правило, неизвестны, то при суммировании видом распределения задаются, исходя из известных данных об элементарной систематической погрешности. Это не вносит существенной ошибки в получаемые результаты, так как в соответствии с принципом оценивания погрешностей сверху из всех возможных ее распределений всякий раз выбирают наихудшее. Получаемая оценка погрешности надежно характеризует неопределенность результата. При выборе закона распределения необходимо руководствоваться следующими правилами: если известна оценка границ погрешности i , то ее распределение следует считать равномерным (такая ситуация наиболее часто встречается в практике); если известна оценка СКО, то распределение следует считать нормальным. Применение этого правила позволяет статистически суммировать элементарные систематические погрешности и обычно приводит к осторожным и вместе с тем не слишком завышенным оценкам погрешности результата измерений. При равномерном законе распределения элементарных систематических погрешностей их сумма: m m m 2 2 k i , если k i i , i 1 i 1 i 1 m m m 2 , если k i , i i i 1 i 1 i 1 (9.2) где i – границы i-й элементарной, случайной погрешности; k – поправочный коэффициент, зависящий от числа слагаемых m, их соотношения и доверительной вероятности. При Р < 0,99 он мало зависит от числа слагаемых и может быть представлен усредненными значениями, приведенными в таблице 9.1. Их погрешность не превышает 10 %. При Р 0,99 коэффициент k существенно зависит от числа слагаемых и соотношения между ними. Поэтому при m > 4 ре117 комендуется принимать среднее значение k = 1,4, а при m 4 значение k необходимо уточнить по ГОСТ 8.207-76 или таблице 9.2. Параметр C, характеризующий отношение границ составляющих систематической погрешности m m1 , принимается равным наименьшему значению указанного отношения при условии, что 1 2 3 4 . Таблица 9.1 – Зависимость коэффициента k от P и m 0,90 0,95 2 0,97 1,10 Значение k при m, равном 3 4 5 0,96 0,95 0,95 1,12 1,12 1,12 ∞ 0,95 1,13 Среднее значение 0,95 1,1 0,99 1,27 1,37 1,49 1,4 P 1,41 1,42 Таблица 9.2 – Зависимость коэффициента k от m и C при P = 0,99 m 2 3 4 0 0,98 1,27 1,38 0,5 1,15 1,32 1,40 1 1,27 1,37 1,41 Значение k при C, равном 2 3 4 1,22 1,15 1,12 1,32 1,24 1,18 1,36 1,28 1,23 5 1,08 1,15 1,18 6 1,07 1,12 1,15 7 1,05 1,08 1,11 При большом числе слагаемых результирующая погрешность имеет практически нормальное распределение. Оценка дисперсии этого распределения равна сумме дисперсий слагаемых: n2 S2 i i 1 3 . Задавшись доверительной вероятностью, получим как границу доверительного интервала z p S , где z p – квантиль нормального распределения при выбранном уровне значимости q 1 P . 9.3 Суммирование случайных погрешностей Правила суммирования случайных погрешностей основаны на известных из теории вероятностей положениях: а) оценка математического ожидания результирующей погрешности определяется алгебраической суммой оценок математических ожидающих составляющих; б) оценка СКО суммарной погрешности определяется выражением 118 m S где m m S i p ij S i S j , 2 i 1 i 1 j 1, j i (9.3) S i – оценка СКО i-й составляющей погрешности; m – число суммируемых составляющих погрешностей; p ij – коэффициент корреляции между i-й и j-й составляющими. В случае суммирования нормально распределенных случайных погрешностей результирующая погрешность измерения состоит из m случайных составляющих. Зная доверительную вероятность Р и доверительный интервал i для каждой составляющей погрешности, можно найти оценку СКО любой из них по формуле: Si , (9.4) z pi где z pi – квантиль нормального распределения, соответствующий доверительной вероятности Рi. Если значение Р для всех составляющих одинаково, то, используя выражения (9.3) и (9.4), получаем: а) для коррелированных составляющих (pij = ±1): S m m m i j i 1 Si 2 Si S j Si 2 i 1 1 m i , z p i 1 (9.5) где знак «±» означает, что для составляющих с положительной корреляцией величины Si и i нужно брать со знаком «+», а для составляющих с отрицательной корреляцией – со знаком «–»; б) для независимых составляющих (pij = 0): m S Si 2 i 1 1 zp m i . 2 (9.6) i 1 При суммировании составляющих с нормальным законом распределения результирующая погрешность также будет распределена нормально. Поэтому доверительный интервал суммарной погрешности с доверительной вероятностью Р может быть найден как: z p S . (9.7) С учетом (9.5) и (9.6) выражение (9.7) принимает вид, соответственно для коррелированных и некоррелированных составляющих: m i ; i 1 119 m i . i 1 2 (9.8) Суммирование погрешностей по первой формуле называется арифметическим, а по второй – геометрическим. Действительные значения коэффициентов корреляции по абсолютному значению могут находиться в пределах от нуля до единицы, поэтому арифметическое суммирование обычно дает завышенное значение суммарной погрешности, а геометрическое – заниженное, т. е. действительное значение находится в интервале между ними. Закон распределения результирующей погрешности зависит от конкретных видов и характеристик законов распределения суммируемых оставляющих. Исходя из этого, для определения доверительного интервала суммарной погрешности необходимо в каждом конкретном случае по известным законам суммируемых составляющих установить методами теории вероятностей результирующий закон распределения. Зная его и, соответственно, квантильный множитель zp, можно найти доверительный интервал суммарной погрешности по формуле (9.7). Возможны приближенные способы определения доверительного интервала суммарной погрешности без установления результирующего закона распределения. 9.4 Суммирование систематических и случайных погрешностей При проведении многократных измерений случайная погрешность может быть уменьшена во много раз. Однако погрешность усредненного результата будет определяться не этой весьма малой случайной погрешностью, а не зависящей от числа усредняющих отсчетов систематической погрешностью. Механизм суммирования систематической и случайной составляющих погрешности отличается от механизма суммирования случайных погрешностей. Методика суммирования систематической и случайной составляющих погрешности приведена в разделе 6.2.8. 9.5 Критерий ничтожно малой погрешности Вопрос о том, какими составляющими при расчете погрешностей можно пренебрегать, возникает постоянно. Это связано с тем, что степень точности определения суммируемых погрешностей невысока, поэтому нет смысла суммировать те из них, которые имеют по сравнению с другими малые значения, поскольку это не повысит точности суммарной погрешности. Пренебрежение малыми погрешностями позволит упростить вычисления при нахождении ре120 зультирующей погрешности. Следовательно, необходимо установить критерий ничтожно малой погрешности, т. е. математическое правило, позволяющее исключать последнюю из расчета. Этот критерий также необходим при выборе класса точности образцового средства измерений в зависимости от класса точности поверяемого средства измерений. Один из возможных вариантов определения критерия ничтожно малой погрешности состоит в том, что если одна величина больше другой на порядок, то ею можно пренебречь. При сложении некоррелированных случайных составляющих суммируются их дисперсии (СКО). В случае двух составляющих суммарная случайная погрешность определяется по формуле: ( ) 2 ( 1 ) 2 ( 2 ) , (9.9) где (1 ), ( 2 ) – СКО первой и второй составляющих. В соответствии с критерием, если дисперсия первой составляющей 2 (1 ) больше дисперсии второй составляющей 2 ( 2 ) более чем в 10 раз, то СКО ( ) суммарной случайной погрешности составит 1,05 (1 ) . Следовательно, пренебрежение дисперсией второй составляющей по сравнению с дисперсией первой составляющей приводит к тому, что СКО суммарной случайной погрешности будет определено с ошибкой в 5 %. Критерий ничтожно малой погрешности для СКО случайной погрешности запишется в виде (1 ) 10 ( 2 ) 3 ( 2 ) . Таким образом, погрешностью можно пренебречь, если ее СКО или доверительный интервал в 3 раза меньше, чем у оставляемых погрешностей. Контрольные вопросы к главе 9 1. На чем основываются правила расчетного суммирования погрешностей? 2. Как могут быть определены квантильные множители суммарной погрешности результата измерения? 3. Сформулируйте правила, по которым суммируются систематические погрешности. 4. Дайте определения коррелированных и некоррелированных случайных величин. Что считается границей между этими случайными величинами при их суммировании? 5. Каким образом суммируются коррелированные случайные величины? 6. По каким правилам суммируются некоррелированные случайные величи121 ны? 7. Как суммируются случайные и систематические погрешности? Какой нормативный документ регламентирует эти правила? 8. В чем состоит суть критерия ничтожно малой погрешности? 122 10 Метрологическое обеспечение измерений 10.1 Основы метрологического обеспечения Под метрологическим обеспечением (МО) понимается установление и применение научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерений. Основной тенденцией в развитии МО является переход от существовавшей ранее сравнительно узкой задачи обеспечения единства и требуемой точности измерений к принципиально новой задаче обеспечения качества измерений. Качество измерений – понятие более широкое, чем точность измерений. Оно характеризует совокупность свойств СИ, обеспечивающих получение в установленный срок результатов измерений с требуемыми точностью (размером допускаемых погрешностей), достоверностью, правильностью, сходимостью и воспроизводимостью. Понятие «метрологическое обеспечение» применяется, как правило, по отношению к измерениям (испытанию, контролю) в целом. В то же время допускают использование термина «метрологическое обеспечение технологического процесса (производства, организации)», подразумевая при этом МО измерений (испытаний или контроля) в данном процессе, производстве, организации. Объектом МО являются все стадии жизненного цикла (ЖЦ) изделия (продукции) или услуги. Под ЖЦ понимается совокупность последовательных взаимосвязанных процессов создания и изменения состояния продукции от формулирования исходных требований к ней до окончания эксплуатации или потребления. Так, на стадии разработки продукции для достижения высокого качества изделия производится выбор контролируемых параметров, норм точности, допусков, средств измерения, контроля и испытания. Также осуществляется метрологическая экспертиза конструкторской и технологической документации. 123 Метрологическое обеспечение Научные основы Метрология Нормативные основы Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ) Технические основы Организационные основы Государственная метрологическая служба Метрологическая служба государственного управления и юридических лиц Системы государственных эталонов единиц ФВ; передачи размеров единиц ФВ от эталонов к рабочим СМ; разработки, постановки на производство и выпуска рабочих СИ; государственных испытаний СИ; государственной поверки и калибровки СИ; стандартных образцов состава и свойств вещества и материалов; стандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществ и материалов Рисунок 10.1 – Основы метрологического обеспечения При разработке МО необходимо использовать системный подход, суть которого состоит в рассмотрении указанного обеспечения как совокупности взаимосвязанных процессов, объединенных одной целью – достижением требуемого качества измерений. Такими процессами являются: установление рациональной номенклатуры измеряемых параметров и оптимальных норм точности измерений при контроле качества продукции и управлении процессами; технико-экономическое обоснование и выбор СИ, испытаний контроля и установление их рациональной номенклатуры; стандартизация, унификация и агрегатирование используемой контрольно-измерительной техники; разработка, внедрение и аттестация современных методик выполнения измерения, испытаний и контроля (МВИ); поверка, метрологическая аттестация и калибровка контрольно124 измерительного и испытательного оборудования (КИО), применяемого на предприятии; контроль за производством, состоянием, применением и ремонтом КИО, а также за соблюдением метрологических правил и норм на предприятии; участие в разработке и внедрении стандартов предприятия; внедрение международных, государственных и отраслевых стандартов, а также иных нормативных документов; проведение метрологической экспертизы проектов нормативной, конструкторской и технологической документации; проведение анализа состояния измерений, разработка на его основе и осуществление мероприятий по совершенствованию МО; подготовка работников соответствующих служб и подразделений предприятия к выполнению контрольно-измерительных операций. 10.2 Государственная система обеспечения единства измерений Государственная система обеспечения единства измерений – это комплекс нормативных, нормативно-технических и методических документов межотраслевого уровня, устанавливающих правила, нормы, требования, направленные на достижение и поддержание единства измерений в стране при требуемой точности. Основным нормативным документом, обеспечивающим единство измерений в стране, является Закон Российской Федерации «Об обеспечении единства измерений» от 26.06.2008 № 102-ФЗ, который устанавливает правовые основы обеспечения единства измерений в Российской Федерации, регулирует отношения государственных органов управления Российской Федерации с юридическими и физическими лицами по вопросам изготовления, выпуска, эксплуатации, ремонта, продажи и импорта средств измерений и направлен на защиту прав и законных интересов граждан, установленного правопорядка и экономики Российской Федерации от отрицательных последствий недостоверных результатов измерений. Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ) базируется на трех основах: технической, организационной и нормативной. Техническую основу ГСИ составляют государственные эталоны, эталоны единиц физических единиц и стандартные образцы. На каждое из этих технических средств разработан нормативный документ. Порядок создания этих норма125 тивных документов, их структура регламентирована требованиями и правилами Государственной системы стандартизации (ГСС). Организационной основой ГСИ являются метрологические службы, цели, задачи, права, обязанности, порядок функционирования которых определяются нормативными документами. Разработка и проведение мероприятий МО возложено на метрологические службы. Метрологическая служба – организующие и (или) выполняющие работы по обеспечению единства измерений и (или) оказывающие услуги по обеспечению единства измерений структурное подразделение центрального аппарата федерального органа исполнительной власти и (или) его территориального органа, юридическое лицо или структурное подразделение юридического лица либо объединения юридических лиц, работники юридического лица, индивидуальный предприниматель. Вся метрологическая деятельность в Российской Федерации основывается на конституционной норме, которая устанавливает, что в федеральном ведении находятся стандарты, эталоны, метрическая система и исчисление времени, и закрепляет централизованное руководство основными вопросами законодательной метрологии, такими как единицы ФВ, эталоны и связанные с ними другие метрологические основы. В развитие этой конституционной нормы приняты законы «Об обеспечении единства измерений» от 26.06.2008 № 102-ФЗ с учетом Федерального закона от 27 декабря 2019 года № 496-ФЗ «О внесении изменений в Федеральный закон «Об обеспечении единства измерений» и «О техническом регулировании» от 27.12.2002 № 184-ФЗ, детализирующие основы метрологической деятельности. Целями Закона «Об обеспечении единства измерений» являются: установление правовых основ обеспечения единства измерений в Российской Федерации; защита прав и законных интересов граждан, общества и государства от отрицательных последствий недостоверных результатов измерений; обеспечение потребности граждан, общества и государства в получении объективных, достоверных и сопоставимых результатов измерений, используемых в целях защиты жизни и здоровья граждан, охраны окружающей среды, животного и растительного мира, обеспечения обороны и безопасности государства, в том числе экономической безопасности; содействие развитию экономики Российской Федерации и научнотехническому прогрессу. 126 Настоящий Федеральный закон регулирует отношения, возникающие при выполнении измерений, установлении и соблюдении требований к измерениям, единицам величин, эталонам единиц величин, стандартным образцам, средствам измерений, применении стандартных образцов, средств измерений, методик (методов) измерений, а также при осуществлении деятельности по обеспечению единства измерений, предусмотренной законодательством Российской Федерации об обеспечении единства измерений, в том числе при выполнении работ и оказании услуг по обеспечению единства измерений. Сфера государственного регулирования обеспечения единства измерений распространяется на измерения, к которым в целях, предусмотренных частью настоящей статьи, установлены обязательные требования и которые выполняются: при осуществлении деятельности в области здравоохранения; осуществлении ветеринарной деятельности; осуществлении деятельности в области охраны окружающей среды; осуществлении деятельности по обеспечению безопасности при чрезвычайных ситуациях; выполнении работ по обеспечению безопасных условий и охраны труда; осуществлении производственного контроля за соблюдением установленных законодательством Российской Федерации требований промышленной безопасности к эксплуатации опасного производственного объекта; осуществлении торговли и товарообменных операций, выполнении работ по расфасовке товаров; выполнении государственных учетных операций; оказании услуг почтовой связи и учете объема оказанных услуг электросвязи операторами связи; осуществлении деятельности в области обороны и безопасности государства; осуществлении геодезической и картографической деятельности; осуществлении деятельности в области гидрометеорологии; проведении банковских, налоговых и таможенных операций; выполнении работ по оценке соответствия промышленной продукции и продукции других видов, а также иных объектов установленным законодательством Российской Федерации обязательным требованиям; 127 проведении официальных спортивных соревнований, обеспечении подготовки спортсменов высокого класса; выполнении поручений суда, органов прокуратуры, государственных органов исполнительной власти; осуществлении мероприятий государственного контроля (надзора). Закон закрепляет основы метрологии. Одним из главных является единство измерений – состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах величин и погрешности измерений не выходят за установленные границы с заданной вероятностью. Кроме этого, в Законе даны определения таких понятий, как средство измерений, эталон единицы величины, метрологическая служба, метрологический контроль и надзор, поверка и калибровка средства измерений, сертификат об утверждении типа средств измерений, аккредитация на право поверки средств измерений, лицензия на изготовление (ремонт, продажу, прокат) средств измерений, сертификат о калибровке. Приведенные определения соответствуют официальной терминологии Международной организации законодательной метрологии (МОЗМ). Законодательство Российской Федерации об обеспечении единства измерений основывается на Конституции Российской Федерации и включает в себя настоящий Федеральный закон, другие федеральные законы, регулирующие отношения в области обеспечения единства измерений, а также принимаемые в соответствии с ними иные нормативные правовые акты Российской Федерации. Положения федеральных законов и иных нормативных правовых актов Российской Федерации, касающиеся предмета регулирования настоящего Федерального закона, применяются в части, не противоречащей Федеральному закону. Если международным договором Российской Федерации установлены иные правила, чем те, которые предусмотрены законодательством Российской Федерации об обеспечении единства измерений, то применяются правила международного договора. 10.3 Требования к измерениям, единицам величин, эталонам единиц величин, стандартным образцам, средствам измерений 10.3.1 Требования к измерениям Измерения, относящиеся к сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений, должны выполняться по аттестованным методи128 кам (методам) измерений, за исключением методик (методов) измерений, предназначенных для выполнения прямых измерений, с применением средств измерений утвержденного типа, прошедших поверку. Результаты измерений должны быть выражены в единицах величин, допущенных к применению в Российской Федерации. Методики (методы) измерений, предназначенные для выполнения прямых измерений, вносятся в эксплуатационную документацию на средства измерений. Подтверждение соответствия этих методик (методов) измерений обязательным метрологическим требованиям к измерениям осуществляется в процессе утверждения типов данных средств измерений. В остальных случаях подтверждение соответствия методик (методов) измерений обязательным метрологическим требованиям к измерениям осуществляется путем аттестации методик (методов) измерений. Сведения об аттестованных методиках (методах) измерений передаются в Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений проводящими аттестацию юридическими лицами и индивидуальными предпринимателями. Аттестацию методик (методов) измерений, относящихся к сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений, проводят аккредитованные в установленном порядке в области обеспечения единства измерений юридические лица и индивидуальные предприниматели. Порядок аттестации методик (методов) измерений и их применения устанавливается федеральным органом исполнительной власти, осуществляющим функции по выработке государственной политики и нормативно-правовому регулированию в области обеспечения единства измерений. 10.3.2 Требования к единицам величин В Российской Федерации применяются единицы величин Международной системы единиц, принятые Генеральной конференцией по мерам и весам и рекомендованные к применению Международной организацией законодательной метрологии. Правительством Российской Федерации могут быть допущены к применению в Российской Федерации наравне с единицами величин Международной системы единиц внесистемные единицы величин. Наименования единиц величин, допускаемых к применению в Российской Федерации, их обозначения, правила написания, а также правила их применения устанавливаются Правительством Российской Федерации. 129 Единицы величин передаются средствам измерений, техническим системам и устройствам с измерительными функциями от эталонов единиц величин и стандартных образцов. 10.3.3 Требования к эталонам единиц величин Государственные эталоны единиц величин образуют эталонную базу Российской Федерации. Государственные первичные эталоны единиц величин содержатся и применяются в государственных научных метрологических институтах. Государственные первичные эталоны единиц величин подлежат утверждению федеральным органом исполнительной власти, осуществляющим функции по оказанию государственных услуг и управлению государственным имуществом в области обеспечения единства измерений. В Российской Федерации должны применяться эталоны единиц величин, прослеживаемые к государственным первичным эталонам соответствующих единиц величин. В случае отсутствия соответствующих государственных первичных эталонов единиц величин должна быть обеспечена прослеживаемость средств измерений, применяемых в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений, к национальным эталонам единиц величин иностранных государств. Порядок утверждения, содержания, сличения и применения государственных первичных эталонов единиц величин, порядок передачи единиц величин от государственных эталонов, порядок установления обязательных требований к эталонам единиц величин, используемым для обеспечения единства измерений в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений, порядок оценки соответствия этим требованиям, а также порядок их применения устанавливаются Правительством Российской Федерации. 10.3.4 Требования к стандартным образцам Стандартные образцы предназначены для воспроизведения, хранения и передачи характеристик состава или свойств веществ (материалов), выраженных в значениях единиц величин, допущенных к применению в Российской Федерации. В сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений применяются стандартные образцы утвержденных типов. 130 10.3.5 Требования к средствам измерений В сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений к применению допускаются средства измерений утвержденного типа, прошедшие поверку в соответствии с положениями настоящего Федерального закона, а также обеспечивающие соблюдение установленных законодательством Российской Федерации об обеспечении единства измерений обязательных требований, включая обязательные метрологические требования к измерениям, обязательные метрологические и технические требования к средствам измерений, и установленных законодательством Российской Федерации о техническом регулировании обязательных требований. В состав обязательных требований к средствам измерений в необходимых случаях включаются также требования к их составным частям, программному обеспечению и условиям эксплуатации средств измерений. При применении средств измерений должны соблюдаться обязательные требования к условиям их эксплуатации. Конструкция средств измерений должна обеспечивать ограничение доступа к определенным частям средств измерений (включая программное обеспечение) в целях предотвращения несанкционированных настройки и вмешательства, которые могут привести к искажениям результатов измерений. Порядок отнесения технических средств к средствам измерений устанавливается федеральным органом исполнительной власти, осуществляющим функции по выработке государственной политики и нормативно-правовому регулированию в области обеспечения единства измерений. Обязательные требования к техническим системам и устройствам с измерительными функциями, а также формы оценки их соответствия указанным требованиям устанавливаются законодательством Российской Федерации о техническом регулировании. 10.4 Государственное регулирование в области обеспечения единства измерений Государственное регулирование в области обеспечения единства измерений осуществляется в следующих формах: утверждение типа стандартных образцов или типа средств измерений; поверка средств измерений; метрологическая экспертиза; государственный метрологический надзор; аттестация методик (методов) измерений; 131 аккредитация юридических лиц и индивидуальных предпринимателей на выполнение работ и (или) оказание услуг в области обеспечения единства измерений. 10.4.1 Утверждение типа стандартных образцов или типа средств измерений Тип стандартных образцов или тип средств измерений, применяемых в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений, подлежит обязательному утверждению. При утверждении типа средств измерений устанавливаются показатели точности, интервал между поверками средств измерений, а также методика поверки данного типа средств измерений. Решение об утверждении типа стандартных образцов или типа средств измерений принимается федеральным органом исполнительной власти, осуществляющим функции по оказанию государственных услуг и управлению государственным имуществом в области обеспечения единства измерений, на основании положительных результатов испытаний стандартных образцов или средств измерений в целях утверждения типа. Утверждение типа стандартных образцов или типа средств измерений удостоверяется свидетельством об утверждении типа стандартных образцов или типа средств измерений, выдаваемым федеральным органом исполнительной власти, осуществляющим функции по оказанию государственных услуг и управлению государственным имуществом в области обеспечения единства измерений. В течение срока действия свидетельства об утверждении типа средств измерений интервал между поверками средств измерений может быть изменен только федеральным органом исполнительной власти, осуществляющим функции по оказанию государственных услуг и управлению государственным имуществом в области обеспечения единства измерений. Сведения об утвержденных типах стандартных образцов и типах средств измерений вносятся в Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений. Порядок проведения испытаний стандартных образцов или средств измерений в целях утверждения типа, порядок утверждения типа стандартных образцов или типа средств измерений, порядок выдачи свидетельств об утверждении типа стандартных образцов или типа средств измерений, установления и изменения срока действия указанных свидетельств и интервала между поверками средств измерений, требования к знакам утверждения типа стандартных 132 образцов или типа средств измерений и порядок их нанесения устанавливаются федеральным органом исполнительной власти, осуществляющим функции по выработке государственной политики и нормативно-правовому регулированию в области обеспечения единства измерений. Юридические лица и индивидуальные предприниматели, осуществляющие разработку, выпуск из производства, ввоз на территорию Российской Федерации, продажу и использование на территории Российской Федерации не предназначенных для применения в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений стандартных образцов и средств измерений, могут в добровольном порядке представлять их на утверждение типа стандартных образцов или типа средств измерений. 10.4.2 Поверка средств измерений Поверка средств измерений – установление органом государственной метрологической службы (или другим официально уполномоченным органом, организацией) пригодности средства измерений к применению на основании экспериментально определяемых метрологических характеристик и подтверждения их соответствия установленным обязательным требованиям. Средства измерений, предназначенные для применения в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений, до ввода в эксплуатацию, а также после ремонта подлежат первичной поверке, а в процессе эксплуатации – периодической поверке. Применяющие средства измерений в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений юридические лица и индивидуальные предприниматели обязаны своевременно представлять эти средства измерений на поверку. Правительством Российской Федерации устанавливается перечень средств измерений, поверка которых осуществляется только аккредитованными в установленном порядке в области обеспечения единства измерений государственными региональными центрами метрологии. Поверочная деятельность осуществляется аккредитованными метрологическими службами юридических лиц и контролируется органами Государственной метрологической службы. Поверка производится в соответствии с нормативными документами, утверждаемыми по результатам испытаний при утверждении типа средств измерений. 133 Средства измерений подвергаются первичной, периодической, внеочередной, инспекционной и экспертной поверке. Первичной поверке подлежат средства измерений утвержденных типов при выпуске из производства и ремонта, при ввозе по импорту. Любое ранее не поверенное средство измерений после утверждения типа должно проходить поверку. Периодической поверке подлежат средства измерений, находящиеся в эксплуатации или на хранении, через определенные межповерочные интервалы, установленные с расчетом обеспечения пригодности к применению средств измерений на период между поверками. Межповерочный интервал устанавливается при утверждении типа. Он может быть изменен с учетом специфики применения средства измерений. Внеочередную поверку проводят во время эксплуатации (хранения) средств измерений: при повреждении знака поверительного клейма, а также при утрате свидетельства о поверке; вводе в эксплуатацию средств измерений после длительного хранения, установке или использовании средств измерений для других целей; проведении повторной юстировки или настройки, известном или предполагаемом ударном воздействии на средство измерений или неудовлетворительной работе прибора; продаже (отправке) потребителю средств измерений, не реализованных по истечении срока, равного половине межповерочного интервала на них. Инспекционную поверку проводят для выяснения пригодности к применению средств измерений при осуществлении государственного метрологического надзора. Экспертную поверку проводят при возникновении спорных вопросов по метрологическим характеристикам, исправности средств измерений и пригодности их к применению. Положительные результаты поверки средств измерений удостоверяются поверительным клеймом или (и) свидетельством о поверке. Поверительное клеймо – знак установленной формы, наносимый на средства измерений, признанные годными к применению в результате их поверки. Свидетельство о поверке – документ, выдаваемый поверочным органом в удостоверение того, что средство измерений прошло поверку и соответствует установленным требованиям. 134 Поверка средств измерений производится физическим лицом, аттестованным в качестве поверителя органом Государственной метрологической службы. Порядок аттестации регламентируется инструкцией «Порядок аттестации поверителя средств измерений». Порядок проведения поверки средств измерений, требования к знаку поверки и содержанию свидетельства о поверке устанавливаются федеральным органом исполнительной власти, осуществляющим функции по выработке государственной политики и нормативно-правовому регулированию в области обеспечения единства измерений. Сведения о результатах поверки средств измерений, предназначенных для применения в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений, передаются в Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений проводящими поверку средств измерений юридическими лицами и индивидуальными предпринимателями. Средства измерений, не предназначенные для применения в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений, могут подвергаться поверке в добровольном порядке. 10.4.3 Калибровка средств измерений Средства измерений, не предназначенные для применения в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений, могут в добровольном порядке подвергаться калибровке. Калибровка средств измерений выполняется с использованием эталонов единиц величин, прослеживаемых к государственным первичным эталонам соответствующих единиц величин, а при отсутствии соответствующих государственных первичных эталонов единиц величин – к национальным эталонам единиц величин иностранных государств. Выполняющие калибровку средств измерений юридические лица и индивидуальные предприниматели в добровольном порядке могут быть аккредитованы в области обеспечения единства измерений. Результаты калибровки средств измерений, выполненной аккредитованными в установленном порядке в области обеспечения единства измерений юридическими лицами или индивидуальными предпринимателями, могут быть использованы при поверке средств измерений в порядке, установленном федеральным органом исполнительной власти, осуществляющим функции по выработке государственной политики и нормативно-правовому регулированию в области обеспечения единства измерений. 135 10.4.4 Метрологическая экспертиза Содержащиеся в проектах нормативных правовых актов Российской Федерации требования к измерениям, стандартным образцам и средствам измерений подлежат обязательной метрологической экспертизе. Заключения обязательной метрологической экспертизы в отношении указанных требований рассматриваются принимающими эти акты федеральными органами исполнительной власти. Обязательная метрологическая экспертиза содержащихся в проектах нормативных правовых актов Российской Федерации требований к измерениям, стандартным образцам и средствам измерений проводится государственными научными метрологическими институтами. Обязательная метрологическая экспертиза стандартов, продукции, проектной, конструкторской, технологической документации и других объектов проводится также в порядке и случаях, предусмотренных законодательством Российской Федерации. Указанную экспертизу проводят аккредитованные в установленном порядке в области обеспечения единства измерений юридические лица и индивидуальные предприниматели. Порядок проведения обязательной метрологической экспертизы содержащихся в проектах нормативных правовых актов Российской Федерации требований к измерениям, стандартным образцам и средствам измерений устанавливается федеральным органом исполнительной власти, осуществляющим функции по выработке государственной политики и нормативно-правовому регулированию в области обеспечения единства измерений. В добровольном порядке может проводиться метрологическая экспертиза продукции, проектной, конструкторской, технологической документации и других объектов, в отношении которых законодательством Российской Федерации не предусмотрена обязательная метрологическая экспертиза. 10.4.5 Государственный метрологический надзор Государственный метрологический надзор осуществляется: за соблюдением обязательных требований в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений к измерениям, единицам величин, а также к эталонам единиц величин, стандартным образцам, средствам измерений при их выпуске из производства, ввозе на территорию Российской Федерации, продаже и применении на территории Российской Федерации; 136 наличием и соблюдением аттестованных методик (методов) измерений; соблюдением обязательных требований к отклонениям количества фасованных товаров в упаковках от заявленного значения. Государственный метрологический надзор распространяется на деятельность юридических лиц и индивидуальных предпринимателей, осуществляющих: измерения, относящиеся к сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений; выпуск из производства предназначенных для применения в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений эталонов единиц величин, стандартных образцов и средств измерений, а также их ввоз на территорию Российской Федерации, продажу и применение на территории Российской Федерации; расфасовку товаров. Юридические лица и индивидуальные предприниматели, осуществляющие выпуск из производства предназначенных для применения в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений эталонов единиц величин, стандартных образцов и средств измерений, а также их ввоз на территорию Российской Федерации и продажу, обязаны уведомлять о данной деятельности федеральный орган исполнительной власти, осуществляющий функции по государственному метрологическому надзору, не позднее трех месяцев со дня ее осуществления. Обязательные требования к отклонениям количества фасованных товаров в упаковках от заявленного значения при их расфасовке устанавливаются техническими регламентами. В технических регламентах также могут содержаться обязательные требования к оборудованию, используемому для расфасовки и контроля расфасовки, правила оценки соответствия отклонения количества фасованных товаров в упаковках от заявленного значения, обязательные требования к упаковке, маркировке или этикеткам фасованных товаров и правилам их нанесения. 10.4.6 Федеральные органы исполнительной власти, осуществляющие государственный метрологический надзор Государственный метрологический надзор осуществляется федеральным органом исполнительной власти, осуществляющим функции по государствен137 ному метрологическому надзору, а также другими федеральными органами исполнительной власти, уполномоченными Президентом Российской Федерации или Правительством Российской Федерации на осуществление данного вида надзора в установленной сфере деятельности. Порядок осуществления государственного метрологического надзора, взаимодействия федеральных органов исполнительной власти, осуществляющих государственный метрологический надзор, а также распределение полномочий между ними устанавливается Президентом Российской Федерации или Правительством Российской Федерации в пределах их компетенции. При распределении полномочий между федеральными органами исполнительной власти, осуществляющими государственный метрологический надзор, не допускается одновременное возложение полномочий по проверке соблюдения одних и тех же требований у одного субъекта проверки на два и более федеральных органа исполнительной власти. 10.4.7 Аккредитация в области обеспечения единства измерений Аккредитация в области обеспечения единства измерений осуществляется в целях официального признания компетентности юридического лица или индивидуального предпринимателя выполнять работы и (или) оказывать услуги по обеспечению единства измерений в соответствии с настоящим Федеральным законом. К указанным работам и (или) услугам относятся: аттестация методик (методов) измерений, относящихся к сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений; испытания стандартных образцов или средств измерений в целях утверждения типа; поверка средств измерений; обязательная метрологическая экспертиза стандартов, продукции, проектной, конструкторской, технологической документации и других объектов, проводимая в случаях, предусмотренных законодательством Российской Федерации. Аккредитация в области обеспечения единства измерений осуществляется на основе принципов: добровольности; компетентности и независимости экспертов по аккредитации; недопустимости совмещения полномочий по аккредитации с выполнением работ и (или) оказанием услуг; 138 применения единых правил аккредитации, их открытости и доступности; обеспечения равных условий лицам, претендующим на получение аккредитации; недопустимости незаконного ограничения прав аккредитуемых юридических лиц и индивидуальных предпринимателей на выполнение работ и (или) оказание услуг в области обеспечения единства измерений для всех потребителей (заказчиков) и на всей территории Российской Федерации. Положение о системе аккредитации в области обеспечения единства измерений определяет федеральный орган исполнительной власти, осуществляющий аккредитацию в области обеспечения единства измерений, и содержит структуру системы. Порядок аккредитации, порядок определения критериев аккредитации, порядок аттестации привлекаемых на договорной основе федеральным органом исполнительной власти, осуществляющим аккредитацию в области обеспечения единства измерений, экспертов по аккредитации и порядок оплаты работ указанных экспертов, утверждается Правительством Российской Федерации. 10.5 Организационные основы обеспечения единства измерений Метрологическая служба – служба, создаваемая в соответствии с законодательством для выполнения работ по обеспечению единства измерений и для осуществления метрологического контроля и надзора. Различают государственную метрологическую службу, метрологические службы государственных органов управления, метрологические службы юридических лиц. Имеются также иные государственные службы обеспечения единства измерений, которые осуществляют межрегиональную и межотраслевую координацию работ по обеспечению единства измерений в закрепленных видах деятельности. Руководство этими службами осуществляет Федеральное агентство по техническому регулированию стандартизации и метрологии. К ним относятся: Государственная служба времени и частоты и определения параметров вращения Земли (ГСВЧ); Государственная служба стандартных образцов (ГССО); Государственная служба стандартных справочных данных (ГСССД). 139 Государственная метрологическая служба – метрологическая служба, выполняющая работы по обеспечению единства измерений в стране на межрегиональном и межотраслевом уровне и осуществляющая государственный метрологический контроль и надзор. Государственная метрологическая служба находится в ведении Федерального агентства по техническому регулированию стандартизации и метрологии страны и включает: государственные научные метрологические центры; органы государственной метрологической службы на территориях субъектов страны. Метрологическая служба государственного органа управления – метрологическая служба, выполняющая работы по обеспечению единства измерений и осуществляющая метрологический надзор и контроль в пределах данного министерства (ведомства). Метрологическая служба юридического лица – метрологическая служба, выполняющая работы по обеспечению единства измерений и осуществляющая метрологический контроль и надзор на данном предприятии (в организации). Метрологические службы федеральных органов исполнительной власти. Федеральные органы исполнительной власти, осуществляющие функции в областях деятельности Федерального закона, создают в установленном порядке метрологические службы и (или) определяют должностных лиц в целях организации деятельности по обеспечению единства измерений в пределах своей компетенции. Федеральное агентство по техническому регулированию стандартизации и метрологии входит в систему федеральных органов исполнительной власти Российской Федерации и находится в ведении Министерства промышленности и торговли Российской Федерации. Это главная метрологическая служба. Оно образовано в соответствии с Указом Президента Российской Федерации от 20 мая 2004 года № 649 «Вопросы структуры федеральных органов исполнительной власти». Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии является федеральным органом исполнительной власти, осуществляющим функции по оказанию государственных услуг, управлению государственным имуществом в сфере технического регулирования и метрологии. До внесения изменений в законодательные акты Российской Федерации Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии осуществляет лицен140 зирование деятельности по изготовлению и ремонту средств измерений, а также функции по государственному метрологическому контролю и надзору. Федеральное агентство осуществляет также контроль и надзор за соблюдением обязательных требований государственных стандартов и технических регламентов до принятия Правительством Российской Федерации решения о передаче этих функций другим федеральным органам исполнительной власти. Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии осуществляет свою деятельность непосредственно, через свои территориальные органы и через подведомственные организации. Основными задачами федеральных органов исполнительной власти, осуществляющих функции по выработке государственной политики и нормативноправовому регулированию, оказанию государственных услуг, управлению государственным имуществом в области обеспечения единства измерений и государственному метрологическому надзору, являются: разработка государственной политики и нормативно-правовое регулирование в области обеспечения единства измерений, а также координация деятельности по нормативно-правовому регулированию в данной области; организация взаимодействия с органами государственной власти иностранных государств и международными организациями в области обеспечения единства измерений; реализация государственной политики в области обеспечения единства измерений; координация деятельности по реализации государственной политики в области обеспечения единства измерений; осуществление государственного метрологического надзора и координация деятельности по его осуществлению. Распределение полномочий между федеральными органами исполнительной власти, осуществляющими функции по выработке государственной политики и нормативно-правовому регулированию, оказанию государственных услуг, управлению государственным имуществом в области обеспечения единства измерений и государственному метрологическому надзору, осуществляет Правительство Российской Федерации. Основными задачами государственных научных метрологических институтов являются: проведение фундаментальных и прикладных научных исследований, экспериментальных разработок и осуществление научно-технической деятельности в области обеспечения единства измерений; 141 разработка, совершенствование, содержание, сличение и применение государственных первичных эталонов единиц величин; передача единиц величин от государственных первичных эталонов единиц величин; участие в разработке проектов нормативных документов в области обеспечения единства измерений; проведение обязательной метрологической экспертизы содержащихся в проектах нормативных правовых актов Российской Федерации требований к измерениям, стандартным образцам и средствам измерений; создание и ведение Федерального информационного фонда по обеспечению единства измерений и предоставление содержащихся в нем документов и сведений; участие в международном сотрудничестве в области метрологии. Государственные научные метрологические институты могут также выполнять иные работы и (или) оказывать иные услуги по обеспечению единства измерений. Основными задачами государственных региональных центров метрологии являются: проведение поверки средств измерений в соответствии с установленной областью аккредитации; совершенствование, содержание и применение государственных эталонов единиц величин, используемых для обеспечения прослеживаемости других эталонов единиц величин и средств измерений к государственным первичным эталонам единиц величин. Государственные региональные центры метрологии могут также выполнять иные работы и (или) оказывать иные услуги по обеспечению единства измерений. Государственная служба времени, частоты и определения параметров вращения Земли осуществляет научно-техническую и метрологическую деятельность по воспроизведению национальной шкалы времени и эталонных частот, по определению параметров вращения Земли, а также по обеспечению потребности государства в эталонных сигналах времени и частоты и в информации о параметрах вращения Земли. 142 10.6 Международные метрологические организации В 1975 году семнадцать государств, в том числе и Россия, подписали Метрическую конвенцию, к которой в настоящее время присоединились 48 стран. Конвенция устанавливает международное сотрудничество стран, ее подписавших. Для этого было создано Международное бюро мер и весов (МБМВ), находящееся в г. Севре близ Парижа. Задача МБМВ состоит в том, чтобы гарантировать международную однородность измерений и их соответствие Международной системе единиц СИ. С этой целью создана единая для всех государств система передачи размеров единиц ФВ системы СИ. Эта задача многогранна и решается либо путем прямого распространения эталонов (как в случае массы), либо координацией через международные сравнения национальных эталонов (как в длине, электричестве, радиометрии). Бюро выполняет исследования, связанные с измерениями, организует международные сравнения национальных эталонов и выполняет калибровки для государств-членов. В МБМВ хранятся международные прототипы ряда мер и эталоны единиц некоторых физических величин. Деятельность МБМВ финансируется совместно государствами – членами Метрической конвенции. В соответствии с конвенцией для осуществления руководства деятельностью МБМВ был учрежден Международный комитет мер и весов (МКМВ), который подотчетен Генеральной конференции мер и весов (ГКМВ). Последняя выбирает членов МКМВ на периодических собраниях (раз в 4 года) представителей правительств государств-членов. Сейчас при МКМВ действуют семь консультативных комитетов: по определению единиц длины, массы, времени, электрических величин, единиц фотометрии и радиометрии, по единицам ионизирующих излучений и единицам для измерения химических величин. Отметим, что МБМВ и МКМВ работают в тесном сотрудничестве с международными метрологическими организациями. Особенно близкие связи установлены с Международной организацией законодательной метрологии (МОЗМ) и Международной организацией по стандартизации (ИСО) в лице ее технического комитета ISO/TC 12 «Величины, единицы, обозначения и переводные множители». Осуществляется также взаимодействие с Международной электротехнической комиссией (МЭК) и рядом других международных организаций. 143 МБМВ совместно с международными организациями разработало и опубликовало «Руководство для выражения неопределенности измерений» и «Международный словарь основных и общих метрологических терминов» (VIM). В МБМВ Россия представлена ГП ВНИИМ им. Д. И. Менделеева и ГП ВНИИФТРИ. Международная организация законодательной метрологии (МОЗМ) была создана в 1955 году для обеспечения всеобщей гармонизации законодательных процедур метрологии и установления взаимного доверия к результатам измерений, проводимых в странах – членах Метрической конвенции. Это межправительственная организация, в которую входят действительные члены – страны, активно участвующие в ее работе, и члены-корреспонденты – страны, являющиеся наблюдателями. В настоящее время МОЗМ объединяет более 80 государств. Высшим органом МОЗМ является Международная конференция законодательной метрологии, которая собирается раз в 4 года. Решения МОЗМ носят рекомендательный характер, и их исполнение зависит от воли конкретного государства. Она издает международные документы (МД), предназначенные для ее рабочих органов, и рекомендации (МР), которые адресованы странам-членам. В Российской Федерации указанные документы хранятся во Всероссийском научно-исследовательском институте метрологической службы. Отметим, что МОЗМ активно участвует в работе таких организаций, как ИСО, МБМВ и др. Россию в МОЗМ представляет Госстандарт. Международная организация по стандартизации (ИСО) была создана в 1946 году двадцатью пятью национальными организациями по стандартизации, в том числе и СССР. Россия стала членом ИСО как правопреемник последнего. Членами ИСО являются 135 стран. Сфера деятельности ИСО распространяется на все области, кроме электротехники и электроники, стандартизацией которых занимается МЭК. В некоторых областях эти две организации действуют совместно. Главной задачей ИСО является содействие развитию: стандартизации, метрологии и сертификации с целью обеспечения международного обмена товарами и услугами; сотрудничества в интеллектуальной, научно-технической и экономической областях. Стандарты ИСО широко используются в мире, их число в настоящее время превышает 12 тысяч, причем ежегодно принимаются или пересматриваются около тысячи стандартов. Они не являются обязательными для применения 144 странами – членами ИСО. Решение об их применении связано со степенью участия конкретной страны в международном разделении труда и состоянием ее внешней торговли. В России в настоящее время идет активный процесс внедрения стандартов ИСО в национальную систему стандартизации. Международная электротехническая комиссия (МЭК) создана в 1906 году. После Второй мировой войны МЭК стала автономной организацией в составе ИСО. Основная цель создания МЭК аналогична ИСО. Большинство стран – членов МЭК представлены своими национальными органами по стандартизации. Активное сотрудничество МЭК с ИСО выражается в публикации руководств и директив ИСО/МЭК по актуальным вопросам стандартизации, сертификации и аккредитации испытательных лабораторий. Непосредственно МЭК принято более 2 тысяч международных стандартов, которые отличаются от стандартов ИСО большей конкретизацией требований к объектам. Контрольные вопросы к главе 10 1. Дайте определение понятия метрологического обеспечения. 2. В чем заключается системный подход к МО? 3. Приведите научные, нормативные, технические и организационные основы метрологического обеспечения. 4. Дайте определение государственной системы обеспечения единства измерений. 5. На каких нормативных документах основывается система ГСИ? 6. На каких трех основах базируется ГСИ? 7. Какие организации входят в состав Государственной метрологической службы? 8. Функции Госстандарта России по обеспечению единства измерений. 9. Какие международные метрологические организации вы знаете? 10. В чем заключается государственный метрологический контроль? 11. Цели государственного метрологического контроля и надзора. 12. Объекты государственного метрологического контроля. 13. Что включает в себя система испытаний и утверждения типа СИ? 14. Назовите цели и виды поверки СИ. 15. Какие СИ могут подвергаться калибровке? 16. Задачи метрологической аттестации СИ. 17. Задачи, решаемые метрологической экспертизой. 18. Цели анализа состояния измерения. 145 11 Основы технического регулирования Действовавшая в Российской Федерации до 1 июля 2003 года государственная система стандартизации опиралась на большое число норм, содержащихся в законах, стандартах и ведомственных актах. Последние часто не публикуются. Поэтому предприниматели, в том числе иностранные, не имеют четкой информации обо всем комплексе обязательных параметров, которые они должны соблюдать в своей деятельности. Существующая система контроля качества выпускаемой продукции и оказываемых услуг неэффективна – более 80 % действующих стандартов не выполняются производителями. Поэтому Федеральный закон «О техническом регулировании» определил новую систему установления и применения требований к продукции, процессам производства, работам и услугам. Этот закон отменяет действие законов «О стандартизации» и «О сертификации продукции и услуг» 1993 года и ряда других нормативных актов. Не менее важной целью этого закона являлось приведение российских процедур стандартизации и сертификации в соответствие с требованиями Всемирной торговой организации (ВТО) – World Trade Organization (WTO). Закон противодействует превращению национальных стандартов и различных технических регламентов к продукции и услугам в инструмент протекционизма по отношению к каким-либо группам товаропроизводителей. Гармонизация национальной системы стандартизации с международной облегчает выход российской продукции на мировые рынки, позволяет организовать кооперацию в ее производстве с субподрядчиками из развитых стран. Закон в соответствии с Конституцией Российской Федерации регулирует права и обязанности субъектов в отношениях, возникающих при разработке, применении и соблюдении требований к продукции, процессам производства, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации и утилизации в обязательном порядке и на добровольной основе. Концепция закона «О техническом регулировании» предусматривает, что все обязательные требования к продукции и услугам устанавливаются только техническими регламентами, которые определяются международными договорами Российской Федерации, ратифицированными в установленном порядке, федеральными законами, указом Президента Российской Федерации и постановлениями Правительства Российской Федерации. Технические регламенты должны содержать минимальные требования для обеспечения безопасности продукции (услуг), а сфера применения обязательных требований должна сводиться к минимуму. Причем после вступления в силу технических регламентов обязательные требования стандартов перестают 146 быть обязательными и государственный контроль (надзор) начинает осуществляться за соблюдением требований технических регламентов. Отметим, что техническое регулирование в Европе в основном аналогично отечественному техническому регулированию. Отличие состоит в том, что в Европе действуют директивы о безопасности. 11.1 Федеральный закон Российской Федерации «О техническом регулировании» Федеральный закон Российской Федерации «О техническом регулировании» является фундаментом, на основе которого построены и техническое регулирование, и стандартизация, и подтверждение соответствия (куда, как одна из форм подтверждения соответствия, входит сертификация). В настоящем законе описаны и трактуются многие основные положения в этих взаимосвязанных областях. В силу важности закона по ходу изложения материала будут приведены некоторые его статьи и даны краткие комментарии к ним. Техническое регулирование – правовое регулирование отношений в области установления, применения и исполнения обязательных требований к продукции или к связанным с ними процессам проектирования (включая изыскания), производства, строительства, монтажа, наладки, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации и утилизации, а также в области установления и применения на добровольной основе требований к продукции, процессам проектирования (включая изыскания), производства, строительства, монтажа, наладки, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации и утилизации, выполнению работ или оказанию услуг и правовое регулирование отношений в области оценки соответствия. Упрощенно этот термин можно пояснить так: техническое регулирование – обязательные условия нефинансового характера для предпринимательской деятельности, которые устанавливает государство. Характеристики продукции, процессы производства, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации и утилизации должны иметь общие требования. То же самое относится к выполнению всевозможных работ и услуг. В понятие «техническое регулирование» входят также и оценка соответствия продукции, процессов, работ и услуг установленным нормам, а также контроль за их соблюдением. Данный термин включает в себя функции соблюдения добровольных правил в той сфере деятельности, в которой занят предприниматель. 147 11.1.1 Сфера применения Федерального закона 1. Настоящий Федеральный закон регулирует отношения, возникающие: при разработке, принятии, применении и исполнении обязательных требований к продукции или к связанным с ними процессам проектирования (включая изыскания), производства, строительства, монтажа, наладки, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации и утилизации; разработке, принятии, применении и исполнении на добровольной основе требований к продукции, процессам проектирования (включая изыскания), производства, строительства, монтажа, наладки, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации и утилизации, выполнению работ или оказанию услуг; оценке соответствия. Настоящий Федеральный закон также определяет права и обязанности участников регулируемых настоящим Федеральным законом отношений. 2. Требования к функционированию единой сети связи Российской Федерации и к продукции, связанные с обеспечением целостности, устойчивости функционирования указанной сети связи и ее безопасности, отношения, связанные с обеспечением целостности единой сети связи Российской Федерации и использованием радиочастотного спектра, соответственно устанавливаются и регулируются законодательством Российской Федерации в области связи. 3. Действие настоящего Федерального закона не распространяется на социально-экономические, организационные, санитарно-гигиенические, лечебнопрофилактические, реабилитационные меры в области охраны труда, федеральные государственные образовательные стандарты, положения (стандарты) о бухгалтерском учете и правила (стандарты) аудиторской деятельности, стандарты эмиссии ценных бумаг и проспектов эмиссии ценных бумаг. 11.1.2 Принципы технического регулирования Техническое регулирование осуществляется в соответствии с принципами: применения единых правил установления требований к продукции или к связанным с ними процессам проектирования (включая изыскания), производства, строительства, монтажа, наладки, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации и утилизации, выполнению работ или оказанию услуг; 148 соответствия технического регулирования уровню развития национальной экономики, развития материально-технической базы, а также уровню научно-технического развития; независимости органов по аккредитации, органов по сертификации от изготовителей, продавцов, исполнителей и приобретателей; единой системы и правил аккредитации; единства правил и методов исследований (испытаний) и измерений при проведении процедур обязательной оценки соответствия; единства применения требований технических регламентов независимо от видов или особенностей сделок; недопустимости ограничения конкуренции при осуществлении аккредитации и сертификации; недопустимости совмещения полномочий органа государственного контроля (надзора) и органа по сертификации; недопустимости совмещения одним органом полномочий на аккредитацию и сертификацию; недопустимости внебюджетного финансирования государственного контроля (надзора) за соблюдением требований технических регламентов; недопустимости одновременного возложения одних и тех же полномочий на два и более органа государственного контроля (надзора) за соблюдением требований технических регламентов. 11.1.3 Законодательство Российской Федерации о техническом регулировании 1. Законодательство Российской Федерации о техническом регулировании состоит из настоящего Федерального закона, принимаемых в соответствии с ним федеральных законов и иных нормативных правовых актов Российской Федерации. 2. Положения федеральных законов и иных нормативных правовых актов Российской Федерации, касающиеся сферы применения настоящего Федерального закона (в том числе прямо или косвенно предусматривающие осуществление контроля (надзора) за соблюдением требований технических регламентов), применяются в части, не противоречащей настоящему Федеральному закону. 3. Федеральные органы исполнительной власти вправе издавать в сфере технического регулирования акты только рекомендательного характера, за исключением случаев, установленных статьей 5 настоящего Федерального закона. 149 11.2 Технические регламенты Фактически новый для Российской Федерации нормативный документ – технический регламент, устанавливающий обязательные для применения и исполнения требования к объектам технического регулирования и имеющий статус федерального закона, тогда как обязательные требования ГОСТ, действовавшие до 1 июля 2003 года, утверждались Госстандартом России. Впредь все обязательные требования к техническим объектам будут содержаться только в технических регламентах. Технический регламент – документ, который принят международным договором Российской Федерации, ратифицированным в порядке, установленном законодательством Российской Федерации, или межправительственным соглашением, заключенным в порядке, установленном законодательством Российской Федерации, или федеральным законом, или указом Президента Российской Федерации, или постановлением Правительства Российской Федерации и устанавливает обязательные для применения и исполнения требования к объектам технического регулирования (продукции, в том числе зданиям, строениям и сооружениям или к связанным с требованиями к продукции процессам проектирования (включая изыскания), производства, строительства, монтажа, наладки, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации и утилизации). 11.2.1 Цели принятия технических регламентов 1. Технические регламенты принимаются в целях: защиты жизни или здоровья граждан, имущества физических или юридических лиц, государственного или муниципального имущества; охраны окружающей среды, жизни или здоровья животных и растений; предупреждения действий, вводящих в заблуждение приобретателей; обеспечения энергетической эффективности и ресурсосбережения. 2. Принятие технических регламентов в иных целях не допускается. 11.2.2 Содержание и применение технических регламентов 1. Технические регламенты с учетом степени риска причинения вреда устанавливают минимально необходимые требования, обеспечивающие: 150 безопасность излучений; биологическую безопасность; взрывобезопасность; механическую безопасность; пожарную безопасность; безопасность продукции (технических устройств, применяемых на опасном производственном объекте); промышленную безопасность; термическую безопасность; химическую безопасность; электрическую безопасность; ядерную и радиационную безопасность; электромагнитную совместимость в части обеспечения безопасности работы приборов и оборудования; единство измерений; другие виды безопасности. 2. Требования технических регламентов не могут служить препятствием осуществлению предпринимательской деятельности в большей степени, чем это минимально необходимо для выполнения целей, указанных в пункте 1 статьи 6 настоящего Федерального закона. 3. Технический регламент должен содержать перечень и (или) описание объектов технического регулирования, требования к этим объектам и правила их идентификации в целях применения технического регламента. Технический регламент должен содержать правила и формы оценки соответствия (в том числе в техническом регламенте могут содержаться схемы подтверждения соответствия, порядок продления срока действия выданного сертификата соответствия), определяемые с учетом степени риска, предельные сроки оценки соответствия в отношении каждого объекта технического регулирования и (или) требования к терминологии, упаковке, маркировке или этикеткам и правилам их нанесения. Технический регламент должен содержать требования энергетической эффективности и ресурсосбережения. Содержащиеся в технических регламентах обязательные требования к продукции или к продукции и связанным с требованиями к продукции процессам проектирования (включая изыскания), производства, строительства, монтажа, наладки, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации и утилизации, правилам и формам оценки соответствия, правила идентификации, требования 151 к терминологии, упаковке, маркировке или этикеткам и правилам их нанесения имеют прямое действие на всей территории Российской Федерации и могут быть изменены только путем внесения изменений и дополнений в соответствующий технический регламент. Не включенные в технические регламенты требования к продукции или к продукции и связанным с требованиями к продукции процессам проектирования (включая изыскания), производства, строительства, монтажа, наладки, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации и утилизации, правилам и формам оценки соответствия, правила идентификации, требования к терминологии, упаковке, маркировке или этикеткам и правилам их нанесения не могут носить обязательный характер. 4. Технический регламент должен содержать обобщенные и (или) конкретные требования к характеристикам продукции или к продукции и связанным с требованиями к продукции процессам проектирования (включая изыскания), производства, строительства, монтажа, наладки, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации и утилизации, но не должен содержать требования к конструкции и исполнению, за исключением случаев, если из-за отсутствия требований к конструкции и исполнению с учетом степени риска причинения вреда не обеспечивается достижение указанных в пункте 1 статьи 6 настоящего Федерального закона целей принятия технического регламента. 5. В технических регламентах с учетом степени риска причинения вреда могут содержаться специальные требования к продукции или к продукции и связанным с требованиями к продукции процессам проектирования (включая изыскания), производства, строительства, монтажа, наладки, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации и утилизации, требования к терминологии, упаковке, маркировке или этикеткам и правилам их нанесения, обеспечивающие защиту отдельных категорий граждан (несовершеннолетних, беременных женщин, кормящих матерей, инвалидов). 6. Технические регламенты применяются одинаковым образом и в равной мере независимо от вида нормативного правового акта, которым они приняты, страны и (или) места происхождения продукции или осуществления связанных с требованиями к продукции процессов проектирования (включая изыскания), производства, строительства, монтажа, наладки, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации и утилизации, видов или особенностей сделок и (или) физических и (или) юридических лиц, являющихся изготовителями, исполнителями, продавцами, приобретателями, в том числе потребителями, с учетом положений пункта 9 настоящей статьи. 152 7. Технический регламент не может содержать требования к продукции, причиняющей вред жизни или здоровью граждан, накапливаемый при длительном использовании этой продукции и зависящий от других факторов, не позволяющих определить степень допустимого риска. В этих случаях технический регламент может содержать требование, касающееся информирования приобретателя, в том числе потребителя, о возможном вреде и о факторах, от которых он зависит. 8. Международные стандарты должны использоваться полностью или частично в качестве основы для разработки проектов технических регламентов, за исключением случаев, если международные стандарты или их разделы были бы неэффективными или не подходящими для достижения установленных статьей 6 настоящего Федерального закона целей, в том числе вследствие климатических и географических особенностей Российской Федерации, технических и (или) технологических особенностей. Национальные стандарты Российской Федерации могут использоваться полностью или частично в качестве основы для разработки проектов технических регламентов. 9. Технический регламент может содержать специальные требования к продукции или к продукции и связанным с требованиями к продукции процессам проектирования (включая изыскания), производства, строительства, монтажа, наладки, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации и утилизации, терминологии, упаковке, маркировке или этикеткам и правилам их нанесения, применяемые в отдельных местах происхождения продукции, если отсутствие таких требований в силу климатических и географических особенностей приведет к недостижению целей, указанных в пункте 1 статьи 6 настоящего Федерального закона. Технические регламенты устанавливают также минимально необходимые ветеринарно-санитарные и фитосанитарные меры в отношении продукции, происходящей из отдельных стран и (или) мест, в том числе ограничения ввоза, использования, хранения, перевозки, реализации и утилизации, обеспечивающие биологическую безопасность (независимо от способов обеспечения безопасности, использованных изготовителем). 10. Технический регламент, принимаемый постановлением Правительства Российской Федерации или нормативным правовым актом федерального органа исполнительной власти по техническому регулированию, вступает в силу не ранее чем через шесть месяцев со дня его официального опубликования. 153 11. Правительством Российской Федерации или федеральным органом исполнительной власти по техническому регулированию до дня вступления в силу технического регламента утверждается в соответствии с требованиями законодательства Российской Федерации в области обеспечения единства измерений перечень документов по стандартизации, содержащих правила и методы исследований (испытаний) и измерений, в том числе правила отбора образцов, необходимые для применения и исполнения принятого технического регламента и осуществления оценки соответствия. В случае отсутствия указанных документов по стандартизации применительно к отдельным требованиям технического регламента или объектам технического регулирования Правительством Российской Федерации или федеральным органом исполнительной власти по техническому регулированию до дня вступления в силу технического регламента утверждаются в соответствии с требованиями законодательства Российской Федерации в области обеспечения единства измерений правила и методы исследований (испытаний) и измерений, в том числе правила отбора образцов, необходимые для применения и исполнения принятого технического регламента и осуществления оценки соответствия. Проекты указанных правил и методов разрабатываются федеральными органами исполнительной власти в соответствии с их компетенцией федеральным органом исполнительной власти по техническому регулированию с использованием документов по стандартизации, опубликовываются в печатном издании федерального органа исполнительной власти по техническому регулированию и размещаются в информационной системе общего пользования в электронно-цифровой форме не позднее чем за тридцать дней до дня утверждения указанных правил и методов. Указанные правила не могут служить препятствием осуществлению предпринимательской деятельности в большей степени, чем это минимально необходимо. Правительство Российской Федерации разрабатывает предложения об обеспечении соответствия технического регулирования интересам национальной экономики, уровню развития материально-технической базы и уровню научно-технического развития, а также международным нормам и правилам. 11.2.3 Порядок разработки, принятия, изменения и отмены технического регламента Технический регламент может быть принят международным договором Российской Федерации, подлежащим ратификации в порядке, установленном 154 законодательством Российской Федерации, или в соответствии с международным договором Российской Федерации, ратифицированным в порядке, установленном законодательством Российской Федерации. Такие технические регламенты разрабатываются, принимаются и отменяются в порядке, принятом в соответствии с международным договором Российской Федерации, ратифицированным в порядке, установленном законодательством Российской Федерации. До вступления в силу технического регламента, принятого международным договором Российской Федерации, подлежащим ратификации в порядке, установленном законодательством Российской Федерации, или в соответствии с международным договором Российской Федерации, ратифицированным в порядке, установленном законодательством Российской Федерации, технический регламент может быть принят указом Президента Российской Федерации, или постановлением Правительства Российской Федерации, или нормативным правовым актом федерального органа исполнительной власти по техническому регулированию в соответствии с положениями настоящего Федерального закона. 11.2.4 Государственный контроль (надзор) за соблюдением требований технических регламентов Государственный контроль (надзор) за соблюдением требований технических регламентов осуществляется федеральными органами исполнительной власти, органами исполнительной власти субъектов Российской Федерации, уполномоченными на проведение государственного контроля (надзора) в соответствии с законодательством Российской Федерации (далее – органы государственного контроля (надзора). Государственный контроль (надзор) за соблюдением требований технических регламентов осуществляется должностными лицами органов государственного контроля (надзора) в порядке, установленном законодательством Российской Федерации. 11.2.5 Объекты государственного контроля (надзора) за соблюдением требований технических регламентов Государственный контроль (надзор) за соблюдением требований технических регламентов осуществляется в отношении продукции или в отношении продукции и связанных с требованиями к продукции процессов проектирова155 ния (включая изыскания), производства, строительства, монтажа, наладки, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации и утилизации исключительно в части соблюдения требований соответствующих технических регламентов. В отношении продукции государственный контроль (надзор) за соблюдением требований технических регламентов осуществляется исключительно на стадии обращения продукции. При осуществлении мероприятий по государственному контролю (надзору) за соблюдением требований технических регламентов используются правила и методы исследований (испытаний) и измерений, установленные для соответствующих технических регламентов. Изготовитель (лицо, выполняющее функции иностранного изготовителя) впервые выпускаемой в обращение продукции вправе обратиться в орган государственного контроля (надзора) с обоснованным предложением об использовании при осуществлении государственного контроля (надзора) правил и методов исследований (испытаний) и измерений, применяемых изготовителем (лицом, выполняющим функции иностранного изготовителя) при подтверждении соответствия такой продукции и не включенных в перечень документов, содержащих правила и методы исследований (испытаний) и измерений, в том числе правила отбора образцов, необходимые для применения и исполнения принятого технического регламента и осуществления оценки соответствия. Орган государственного контроля (надзора) рассматривает предложение изготовителя (лица, выполняющего функции иностранного изготовителя) впервые выпускаемой в обращение продукции об использовании при осуществлении государственного контроля (надзора) применяемых изготовителем (лицом, выполняющим функции иностранного изготовителя) при подтверждении соответствия такой продукции правил и методов исследований (испытаний) и измерений и в течение десяти дней со дня получения указанного предложения направляет изготовителю (лицу, выполняющему функции иностранного изготовителя) свое решение. 11.2.6 Полномочия органов государственного контроля На основании положений настоящего Федерального закона и требований технических регламентов органы государственного контроля (надзора) вправе: требовать от изготовителя (продавца, лица, выполняющего функции иностранного изготовителя) предъявления декларации о соответствии или сертификата соответствия, подтверждающих соответствие продукции требованиям 156 технических регламентов, или их копий либо регистрационный номер декларации о соответствии или сертификата соответствия, если применение таких документов предусмотрено соответствующим техническим регламентом; осуществлять мероприятия по государственному контролю (надзору) за соблюдением требований технических регламентов в порядке, установленном законодательством Российской Федерации; направлять информацию о необходимости приостановления или прекращения действия сертификата соответствия в выдавший его орган по сертификации; выдавать предписание о приостановлении или прекращении действия декларации о соответствии лицу, принявшему декларацию, и информировать об этом федеральный орган исполнительной власти, организующий формирование и ведение единого реестра деклараций о соответствии; привлекать изготовителя (исполнителя, продавца, лицо, выполняющее функции иностранного изготовителя) к ответственности, предусмотренной законодательством Российской Федерации; требовать от изготовителя (лица, выполняющего функции иностранного изготовителя) предъявления доказательственных материалов, использованных при осуществлении обязательного подтверждения соответствия продукции требованиям технического регламента; принимать иные предусмотренные законодательством Российской Федерации меры в целях недопущения причинения вреда. Органы государственного контроля (надзора) обязаны: проводить в ходе мероприятий по государственному контролю (надзору) за соблюдением требований технических регламентов разъяснительную работу по применению законодательства Российской Федерации о техническом регулировании, информировать о существующих технических регламентах; соблюдать коммерческую тайну и иную охраняемую законом тайну; соблюдать порядок осуществления мероприятий по государственному контролю (надзору) за соблюдением требований технических регламентов и оформления результатов таких мероприятий, установленный законодательством Российской Федерации; принимать на основании результатов мероприятий по государственному контролю (надзору) за соблюдением требований технических регламентов меры по устранению последствий нарушений требований технических регламентов; 157 направлять информацию о несоответствии продукции требованиям технических регламентов в соответствии с положениями главы 7 настоящего Федерального закона; осуществлять другие предусмотренные законодательством Российской Федерации полномочия. 11.2.7 Ответственность за несоответствие продукции или связанных с требованиями к ней процессов проектирования (включая изыскания), производства, строительства, монтажа, наладки, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации и утилизации требованиям технических регламентов За нарушение требований технических регламентов изготовитель (исполнитель, продавец, лицо, выполняющее функции иностранного изготовителя) несет ответственность в соответствии с законодательством Российской Федерации. В случае неисполнения предписаний и решений органа государственного контроля (надзора) изготовитель (исполнитель, продавец, лицо, выполняющее функции иностранного изготовителя) несет ответственность в соответствии с законодательством Российской Федерации. В случае если в результате несоответствия продукции требованиям технических регламентов, нарушений требований технических регламентов при осуществлении связанных с требованиями к продукции процессов проектирования (включая изыскания), производства, строительства, монтажа, наладки, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации и утилизации причинен вред жизни или здоровью граждан, имуществу физических или юридических лиц, государственному или муниципальному имуществу, окружающей среде, жизни или здоровью животных и растений или возникла угроза причинения такого вреда, изготовитель (исполнитель, продавец, лицо, выполняющее функции иностранного изготовителя) обязан возместить причиненный вред и принять меры в целях недопущения причинения вреда другим лицам, их имуществу, окружающей среде в соответствии с законодательством Российской Федерации. Обязанность возместить вред не может быть ограничена договором или заявлением одной из сторон. 158 Контрольные вопросы к главе 11 1. Почему в последние годы было необходимо принятие Федерального закона Российской Федерации «О техническом регулировании»? 2. Что следует понимать под термином «техническое регулирование»? 3. Какова сфера применения закона «О техническом регулировании»? 4. Перечислите основные принципы технического регулирования. 5. Отметьте основные положения закона «О техническом регулировании». 6. Назовите основные понятия, приведенные в законе «О техническом регулировании». 7. Что такое технический регламент? Каковы цели принятия технических регламентов? Поясните содержание технических регламентов. 8. Назовите виды технических регламентов и их требования. 9. Назовите органы и объекты государственного контроля (надзора) за соблюдением требований технических регламентов. 10. Каковы полномочия органов государственного контроля (надзора)? 11. В чем заключается ответственность органов государственного контроля (надзора) и их должностных лиц при осуществлении государственного контроля (надзора) за соблюдением требований технических регламентов? 159 12 Стандартизация 12.1 Федеральный закон «О стандартизации в Российской Федерации» Федеральный закон от 29 июня 2015 года № 162-ФЗ «О стандартизации в Российской Федерации» устанавливает правовые основы стандартизации в Российской Федерации, в том числе функционирования национальной системы стандартизации, и направлен на обеспечение проведения единой государственной политики в сфере стандартизации. Согласно закону, стандартизация – деятельность по разработке (ведению), утверждению, изменению (актуализации), отмене, опубликованию и применению документов по стандартизации и иная деятельность, направленная на достижение упорядоченности в отношении объектов стандартизации. По определению ИСО/МЭК, стандартизация – установление и применение правил с целью упорядочения деятельности в определенной области на пользу и при участии всех заинтересованных сторон, в частности для достижения всеобщей оптимальной экономии при соблюдении условий эксплуатации (использования) и требований безопасности. 12.1.1 Основные понятия Для целей Федерального закона используются следующие основные понятия: документ по стандартизации – документ, в котором для добровольного и многократного применения устанавливаются общие характеристики объекта стандартизации, а также правила и общие принципы в отношении объекта стандартизации, за исключением случаев, если обязательность применения документов по стандартизации устанавливается настоящим Федеральным законом; документы, разрабатываемые и применяемые в национальной системе стандартизации (документы национальной системы стандартизации), – национальный стандарт Российской Федерации (национальный стандарт), в том числе основополагающий национальный стандарт Российской Федерации, и предварительный национальный стандарт Российской Федерации, а также правила стандартизации, рекомендации по стандартизации, информационнотехнические справочники; 160 информационно-технический справочник – документ национальной системы стандартизации, утвержденный федеральным органом исполнительной власти в сфере стандартизации, содержащий систематизированные данные в определенной области и включающий в себя описание технологий, процессов, методов, способов, оборудования и иные данные; национальная система стандартизации – механизм обеспечения согласованного взаимодействия участников работ по стандартизации на основе принципов стандартизации при разработке, утверждении, изменении, отмене, опубликовании и применении документов по стандартизации с использованием нормативно-правового, информационного, научно-методического, финансового и иного ресурсного обеспечения; национальный стандарт – документ по стандартизации, который разработан участниками работ по стандартизации, по результатам экспертизы в техническом комитете по стандартизации или проектном техническом комитете по стандартизации утвержден федеральным органом исполнительной власти в сфере стандартизации, в котором для всеобщего применения устанавливаются общие характеристики объекта стандартизации, а также правила и общие принципы в отношении объекта стандартизации; объект стандартизации – продукция (работы, услуги), процессы, системы менеджмента, терминология, условные обозначения, исследования (испытания) и измерения (включая отбор образцов) и методы испытаний, маркировка, процедуры оценки соответствия и иные объекты; общероссийский классификатор технико-экономической и социальной информации – документ по стандартизации, распределяющий техникоэкономическую и социальную информацию в соответствии с ее классификацией и являющийся обязательным для применения в государственных информационных системах и при межведомственном обмене информацией в порядке, установленном федеральными законами и иными нормативными правовыми актами Российской Федерации; основополагающий национальный стандарт – национальный стандарт, разработанный и утвержденный федеральным органом исполнительной власти в сфере стандартизации, устанавливающий общие положения, касающиеся выполнения работ по стандартизации, а также виды национальных стандартов; правила стандартизации – документ национальной системы стандартизации, разработанный и утвержденный федеральным органом исполнительной власти в сфере стандартизации, содержащий положения организационного и методического характера, которые дополняют или конкретизируют отдель161 ные положения основополагающих национальных стандартов, а также определяют порядок и методы проведения работ по стандартизации и оформления результатов таких работ; предварительный национальный стандарт – документ по стандартизации, который разработан участниками работ по стандартизации, утвержден федеральным органом исполнительной власти в сфере стандартизации и в котором для всеобщего применения устанавливаются общие характеристики объекта стандартизации, а также правила и общие принципы в отношении объекта стандартизации на ограниченный срок в целях накопления опыта в процессе применения предварительного национального стандарта для возможной последующей разработки на его основе национального стандарта; рекомендации по стандартизации – документ национальной системы стандартизации, утвержденный федеральным органом исполнительной власти в сфере стандартизации и содержащий информацию организационного и методического характера, касающуюся проведения работ по стандартизации и способствующую применению соответствующего национального стандарта, либо положения, которые предварительно проверяются на практике до их установления в национальном стандарте или предварительном национальном стандарте; свод правил – документ по стандартизации, утвержденный федеральным органом исполнительной власти и содержащий правила и общие принципы в отношении процессов в целях обеспечения соблюдения требований технических регламентов; стандарт организации – документ по стандартизации, утвержденный юридическим лицом, в том числе государственной корпорацией, саморегулируемой организацией, а также индивидуальным предпринимателем для совершенствования производства и обеспечения качества продукции, выполнения работ, оказания услуг; стандартизация – деятельность по разработке, утверждению, изменению, отмене, опубликованию и применению документов по стандартизации и иная деятельность, направленная на достижение упорядоченности в отношении объектов стандартизации; технические условия – вид стандарта организации, утвержденный изготовителем продукции или исполнителем работы, услуги. 12.1.2 Цели и задачи стандартизации Стандартизация направлена на достижение следующих целей: 162 содействие социально-экономическому развитию Российской Федерации; содействие интеграции Российской Федерации в мировую экономику и международные системы стандартизации в качестве равноправного партнера; улучшение качества жизни населения страны; обеспечение обороны страны и безопасности государства; техническое перевооружение промышленности; повышение качества продукции, выполнения работ, оказания услуг и повышение конкурентоспособности продукции российского производства. Цели стандартизации достигаются путем реализации следующих задач: внедрение передовых технологий, достижение и поддержание технологического лидерства Российской Федерации в высокотехнологичных (инновационных) секторах экономики; повышение уровня безопасности жизни и здоровья людей, охрана окружающей среды, охрана объектов животного, растительного мира и других природных ресурсов, имущества юридических лиц и физических лиц, государственного и муниципального имущества, а также содействие развитию систем жизнеобеспечения населения в чрезвычайных ситуациях; оптимизация и унификация номенклатуры продукции, обеспечение ее совместимости и взаимозаменяемости, сокращение сроков ее создания, освоения в производстве, а также затрат на эксплуатацию и утилизацию; применение документов по стандартизации при поставках товаров, выполнении работ, оказании услуг, в том числе при осуществлении закупок товаров, работ, услуг для обеспечения государственных и муниципальных нужд; обеспечение единства измерений и сопоставимости их результатов; предупреждение действий, вводящих потребителя продукции в заблуждение; обеспечение рационального использования ресурсов; устранение технических барьеров в торговле и создание условий для применения международных стандартов и региональных стандартов, региональных сводов правил, стандартов иностранных государств и сводов правил иностранных государств. 163 12.1.3 Принципы стандартизации Стандартизация в Российской Федерации основывается на следующих принципах: добровольность применения документов по стандартизации; обязательность применения документов по стандартизации в отношении оборонной продукции (товаров, работ, услуг) по государственному оборонному заказу, продукции, используемой в целях защиты сведений, составляющих государственную тайну, а также включенных в определенный Правительством Российской Федерации перечень документов по стандартизации, обязательное применение которых обеспечивает безопасность дорожного движения при его организации на территории Российской Федерации; обеспечение комплексности и системности стандартизации, преемственности деятельности в сфере стандартизации; обеспечение соответствия общих характеристик, правил и общих принципов, устанавливаемых в документах национальной системы стандартизации, современному уровню развития науки, техники и технологий, передовому отечественному и зарубежному опыту; открытость разработки документов национальной системы стандартизации, обеспечение участия в разработке таких документов всех заинтересованных лиц, достижение консенсуса при разработке национальных стандартов; установление в документах по стандартизации требований, обеспечивающих возможность контроля за их выполнением; унификация разработки (ведения), утверждения (актуализации), изменения, отмены, опубликования и применения документов по стандартизации; соответствие документов по стандартизации действующим на территории Российской Федерации техническим регламентам; непротиворечивость национальных стандартов друг другу; доступность информации о документах по стандартизации с учетом ограничений, установленных нормативными правовыми актами Российской Федерации в области защиты сведений, составляющих государственную тайну или относимых к охраняемой в соответствии с законодательством Российской Федерации иной информации ограниченного доступа. 164 12.1.4 Направления государственной политики Российской Федерации в сфере стандартизации Направлениями государственной политики Российской Федерации в сфере стандартизации являются: определение сфер государственного регулирования, приоритетных направлений развития национальной системы стандартизации; принятие и реализация документов стратегического планирования, в том числе государственных программ Российской Федерации и государственных программ субъектов Российской Федерации, а также федеральных целевых программ, ведомственных целевых программ, иных программ, предусматривающих разработку документов по стандартизации; расширение применения документов по стандартизации в деятельности органов государственной власти и организаций; подготовка кадрового состава в сфере стандартизации; другие направления в сфере стандартизации в соответствии с законодательными актами Российской Федерации и иными нормативными правовыми актами Российской Федерации. 12.1.5 Федеральный орган исполнительной власти, осуществляющий функции по выработке государственной политики и нормативноправовому регулированию в сфере стандартизации Федеральный орган исполнительной власти, осуществляющий функции по выработке государственной политики и нормативно-правовому регулированию в сфере стандартизации: разрабатывает государственную политику Российской Федерации в сфере стандартизации, представляет в Правительство Российской Федерации соответствующие предложения, по которым требуются решения Правительства Российской Федерации; обеспечивает межведомственную координацию деятельности федеральных органов исполнительной власти, Государственной корпорации по атомной энергии «Росатом» и иных государственных корпораций в целях реализации государственной политики Российской Федерации в сфере стандартизации, за исключением межведомственной координации деятельности в сфере систематизации и кодирования технико-экономической и социальной информации в социально-экономической области, порядок осуществления которой 165 устанавливается Правительством Российской Федерации; представляет в Правительство Российской Федерации ежегодный государственный доклад о состоянии работ в сфере стандартизации; осуществляет нормативно-правовое регулирование деятельности в сфере стандартизации; определяет стратегические и приоритетные направления развития национальной системы стандартизации; устанавливает показатели и индикаторы, на основе которых будут оцениваться результаты работ по стандартизации в национальной системе стандартизации; устанавливает порядок применения знака национальной системы стандартизации; устанавливает правила исполнения государственных функций и предоставления государственных услуг в сфере стандартизации федеральным органом исполнительной власти в сфере стандартизации в соответствии с законодательством Российской Федерации; устанавливает порядок разработки основополагающих национальных стандартов, правил стандартизации и рекомендаций по стандартизации, внесения в них изменений, порядок их редактирования и подготовки к утверждению, порядок их утверждения и отмены, а также регистрации федеральным органом исполнительной власти в сфере стандартизации документов национальной системы стандартизации, сводов правил, международных стандартов, региональных стандартов и региональных сводов правил, стандартов иностранных государств и сводов правил иностранных государств. 12.1.6 Федеральный орган исполнительной власти в сфере стандартизации Федеральный орган исполнительной власти в сфере стандартизации: осуществляет подготовку предложений о формировании государственной политики Российской Федерации в сфере стандартизации и представляет их в федеральный орган исполнительной власти, осуществляющий функции по выработке государственной политики и нормативно-правовому регулированию в сфере стандартизации; реализует государственную политику Российской Федерации в сфере стандартизации; разрабатывает и утверждает программы по стандартизации, а также 166 вносит в них изменения; организует работы по стандартизации в национальной системе стандартизации, международной стандартизации и региональной стандартизации, а также по межгосударственной стандартизации; организует взаимодействие федеральных органов исполнительной власти, Государственной корпорации по атомной энергии «Росатом», иных государственных корпораций, технических комитетов по стандартизации, проектных технических комитетов по стандартизации, совещательных органов по стандартизации в части разработки документов национальной системы стандартизации и осуществляет организационное и методическое руководство в этой сфере; организует проведение научных исследований в области стандартизации с привлечением в установленном порядке научных организаций, в том числе осуществляющих деятельность в сфере стандартизации, технических комитетов по стандартизации, проектных технических комитетов по стандартизации; организует формирование, ведение и опубликование перечня национальных стандартов и информационно-технических справочников, ссылки на которые содержатся в нормативных правовых актах; утверждает правила достижения консенсуса при разработке национальных стандартов; устанавливает порядок проведения работ по стандартизации, определяет формы и методы взаимодействия участников работ по стандартизации, включая порядок учета предложений о разработке национальных стандартов, предварительных национальных стандартов; определяет порядок проведения экспертизы проектов документов национальной системы стандартизации; организует разработку документов национальной системы стандартизации; утверждает, изменяет (актуализирует), отменяет документы национальной системы стандартизации, устанавливает дату введения их в действие, а также разрабатывает и регистрирует основополагающие национальные стандарты и правила стандартизации, устанавливает дату введения их в действие; вводит в действие межгосударственные стандарты, отменяет действие межгосударственных стандартов и приостанавливает действие межгосударственных стандартов. 167 12.1.7 Виды документов по стандартизации К документам по стандартизации в соответствии с настоящим Федеральным законом относятся: документы национальной системы стандартизации; общероссийские классификаторы; стандарты организаций, в том числе технические условия; своды правил; документы по стандартизации, которые устанавливают обязательные требования в отношении объектов стандартизации, предусмотренных статьей 6 настоящего Федерального закона. 12.1.7.1 Документы национальной системы стандартизации 1. Документы национальной системы стандартизации не должны противоречить международным договорам Российской Федерации, федеральным законам, актам Президента Российской Федерации, актам Правительства Российской Федерации, нормативным правовым актам федеральных органов исполнительной власти и нормативным правовым актам Государственной корпорации по атомной энергии «Росатом», изданным в соответствии с установленными полномочиями. 2. Разработчиками документов национальной системы стандартизации являются участники работ по стандартизации. 3. При разработке национальных стандартов международные стандарты используются в качестве основы, за исключением случаев, если такое использование признано невозможным вследствие несоответствия требований международных стандартов климатическим и географическим особенностям Российской Федерации, техническим и (или) технологическим особенностям или по иным основаниям либо Российская Федерация в соответствии с установленными процедурами выступала против утверждения международного стандарта или отдельного его положения. 12.1.7.2 Основополагающие национальные стандарты и правила стандартизации 1. Основополагающие национальные стандарты и правила стандартизации разрабатываются и утверждаются федеральным органом исполнительной 168 власти в сфере стандартизации в порядке, установленном федеральным органом исполнительной власти, осуществляющим функции по выработке государственной политики и нормативно-правовому регулированию в сфере стандартизации. Разработка документов национальной системы стандартизации должна осуществляться в соответствии с основополагающими национальными стандартами. 2. Утверждение основополагающих национальных стандартов осуществляется при условии их публичного обсуждения и обеспечения процедур консенсуса. 12.1.7.3 Национальные стандарты и предварительные национальные стандарты 1. Национальные стандарты и предварительные национальные стандарты разрабатываются участниками работ по стандартизации в целях содействия использованию полученных в различных областях знаний и решений, инноваций, достижений науки и техники. 2. Национальные стандарты и предварительные национальные стандарты разрабатываются на основе: результатов научных исследований (испытаний) и измерений; положений международных стандартов, региональных стандартов, региональных сводов правил, стандартов иностранных государств, сводов правил иностранных государств, стандартов организаций и технических условий, которые содержат новые и (или) прогрессивные требования к объектам стандартизации и способствуют повышению конкурентоспособности продукции (работ, услуг); приобретенного практического опыта применения новых видов продукции, процессов и технологий. 12.1.7.4 Рекомендации по стандартизации 1. Рекомендации по стандартизации разрабатываются в целях предварительной проверки на практике отдельных положений организационного и методического характера применительно к соответствующему объекту стандартизации в порядке, установленном федеральным органом исполнительной власти, осуществляющим функции по выработке государственной политики и нормативно-правовому регулированию в сфере стандартизации. 169 2. Рекомендации по стандартизации не могут противоречить положениям национальных стандартов. 12.1.7.5 Информационно-технические справочники Разработка, утверждение, применение, изменение (актуализация) и отмена информационно-технических справочников осуществляются в случаях и в порядке, которые предусмотрены федеральными законами и принимаемыми в соответствии с ними нормативными правовыми актами Правительства Российской Федерации или актами уполномоченных им федеральных органов исполнительной власти. 12.1.7.6 Общероссийские классификаторы Порядок разработки, ведения, изменения и применения общероссийских классификаторов устанавливается Правительством Российской Федерации. 12.1.7.7 Стандарты организаций и технические условия 1. Стандарты организаций разрабатываются организациями самостоятельно исходя из необходимости их применения для обеспечения целей настоящего Федерального закона. 2. Стандарты организаций и технические условия разрабатываются с учетом соответствующих документов национальной системы стандартизации. 3. Технические условия разрабатываются изготовителем и (или) исполнителем и применяются в соответствии с условиями, установленными в договорах (контрактах). 4. Порядок разработки, утверждения, учета, изменения, отмены и применения стандартов организаций и технических условий устанавливается организациями самостоятельно с учетом применимых принципов, предусмотренных настоящим Федеральным законом. 5. Проект стандарта организации, а также проект технических условий перед их утверждением может представляться в соответствующий технический комитет по стандартизации или проектный технический комитет по стандартизации для проведения экспертизы, по результатам которой технический комитет по стандартизации или проектный технический комитет по стандартизации готовит соответствующее заключение. 170 12.1.7.8 Своды правил Порядок разработки, утверждения, опубликования, изменения и отмены сводов правил устанавливается Правительством Российской Федерации. 12.1.8 Общие правила применения документов национальной системы стандартизации 1. Документы национальной системы стандартизации применяются на добровольной основе одинаковым образом и в равной мере независимо от страны и (или) места происхождения продукции (товаров, работ, услуг), если иное не установлено законодательством Российской Федерации. 2. Условия применения международных стандартов, региональных стандартов, межгосударственных стандартов, региональных сводов правил, стандартов иностранных государств, сводов правил иностранных государств, в результате применения которых на добровольной основе обеспечивается соблюдение требований утвержденного технического регламента или которые содержат правила и методы исследований (испытаний) и измерений, в том числе правила отбора образцов, необходимые для применения и исполнения утвержденного технического регламента и осуществления оценки соответствия, устанавливаются в соответствии с Федеральным законом от 27 декабря 2002 года № 184-ФЗ «О техническом регулировании». 3. Применение национального стандарта является обязательным для изготовителя и (или) исполнителя в случае публичного заявления о соответствии продукции национальному стандарту, в том числе в случае применения обозначения национального стандарта в маркировке, в эксплуатационной или иной документации, и (или) маркировки продукции знаком национальной системы стандартизации. 12.1.9 Применение ссылок на национальные стандарты и информационно-технические справочники в нормативных правовых актах 1. Нормативные правовые акты могут содержать ссылки на официально опубликованные национальные стандарты и информационно-технические справочники. 2. Применение ссылок на национальные стандарты и (или) информацион171 но-технические справочники в нормативных правовых актах допускается в целях обеспечения выполнения технических и функциональных требований нормативного правового акта и в случае, если Правительство Российской Федерации, заинтересованные федеральные органы исполнительной власти, Государственная корпорация по атомной энергии «Росатом», иные заинтересованные государственные корпорации уполномочены на установление соответствующих требований. 3. Ссылки на национальные стандарты в нормативных правовых актах применяются путем приведения в них наименования и обозначения национальных стандартов с указанием даты утверждения и даты регистрации, пунктов, разделов национальных стандартов. Ссылки на информационно-технические справочники в нормативных правовых актах применяются путем приведения в них наименования и обозначения информационно-технического справочника с указанием даты его утверждения. 4. Тексты национальных стандартов и информационно-технических справочников, на которые даны ссылки, прилагаются к соответствующим проектам нормативных правовых актов при прохождении ими установленных процедур разработки и утверждения. 5. Федеральный орган исполнительной власти в сфере стандартизации организует размещение в информационно-телекоммуникационной сети «Интернет», в том числе в форме открытых данных, перечня национальных стандартов и информационно-технических справочников, ссылки на которые содержатся в нормативных правовых актах. Порядок формирования, ведения и опубликования перечня национальных стандартов и информационно-технических справочников, ссылки на которые содержатся в нормативных правовых актах, устанавливается федеральным органом исполнительной власти, осуществляющим функции по выработке государственной политики и нормативно-правовому регулированию в сфере стандартизации. 6. Федеральный орган исполнительной власти в сфере стандартизации при подготовке изменений для внесения их в национальный стандарт либо в случае планируемой отмены национального стандарта или информационнотехнического справочника, включенных в перечень национальных стандартов и информационно-технических справочников, не менее чем за один год информирует Правительство Российской Федерации, заинтересованный федеральный орган исполнительной власти, Государственную корпорацию по атомной энергии «Росатом», иную заинтересованную государственную корпорацию о планируемых изменениях либо об отмене национального стандарта или информа172 ционно-технического справочника. 12.1.10 Информационное обеспечение национальной системы стандартизации 1. Информационное обеспечение национальной системы стандартизации реализуется посредством ведения Федерального информационного фонда стандартов, создания и эксплуатации федеральных информационных систем, необходимых для его функционирования, официального опубликования, издания и распространения документов национальной системы стандартизации и общероссийских классификаторов. 2. Официальное опубликование, издание и распространение документов национальной системы стандартизации и общероссийских классификаторов осуществляются в порядке, установленном федеральным органом исполнительной власти, осуществляющим функции по выработке государственной политики и нормативно-правовому регулированию в сфере стандартизации. 12.1.11 Федеральный информационный фонд стандартов 1. Федеральный информационный фонд стандартов является государственным информационным ресурсом. 2. Создание и организация эксплуатации федеральных информационных систем, необходимых для функционирования Федерального информационного фонда стандартов, осуществляются федеральным органом исполнительной власти в сфере стандартизации в соответствии с Федеральным законом от 27 июля 2006 года № 149-ФЗ «Об информации, информационных технологиях и о защите информации». 3. Федеральный информационный фонд стандартов составляют документы национальной системы стандартизации, общероссийские классификаторы, международные стандарты, региональные стандарты, стандарты иностранных государств, своды правил, региональные своды правил, своды правил иностранных государств, надлежащим образом заверенные переводы на русский язык международных стандартов, региональных стандартов и региональных сводов правил, стандартов иностранных государств и сводов правил иностранных государств, которые приняты на учет федеральным органом исполнительной власти в сфере стандартизации, документы по стандартизации междуна- 173 родных организаций по стандартизации, региональных организаций по стандартизации и иные документы по стандартизации иностранных государств. 12.1.12 Международное и региональное сотрудничество в сфере стандартизации 1. Федеральный орган исполнительной власти в сфере стандартизации представляет Российскую Федерацию в международных и региональных организациях, осуществляющих деятельность в сфере стандартизации. 2. Основными направлениями международного и регионального сотрудничества в сфере стандартизации являются: обеспечение конкурентоспособности российской продукции на мировом рынке; гармонизация национальных стандартов с международными стандартами и региональными стандартами; разработка и участие в разработке международных стандартов, региональных стандартов и межгосударственных стандартов; обмен опытом и информацией в сфере стандартизации; привлечение российских представителей к разработке международных стандартов, региональных стандартов и межгосударственных стандартов. 3. Международное и региональное сотрудничество в сфере стандартизации осуществляется в рамках деятельности международных и региональных организаций по стандартизации на основе международного многостороннего и двустороннего сотрудничества, а также в рамках международных договоров или меморандумов о взаимопонимании. 4. Участие Российской Федерации в международном и региональном сотрудничестве в сфере стандартизации включает в себя: участие в работе руководящих, координирующих и консультативных органов международных и региональных организаций по стандартизации; представительство или участие в технических комитетах (подкомитетах, группах) международных и региональных организаций по стандартизации, включая ведение дел секретариатов технических комитетов и подкомитетов; разработку международных стандартов, региональных стандартов и межгосударственных стандартов. 174 12.2 Международные организации по стандартизации Международная организация по стандартизации, ИСО (англ. International Organization for Standardization, ISO) – международная организация, занимающаяся выпуском стандартов. Международная организация по стандартизации создана в 1946 году двадцатью пятью национальными организациями по стандартизации на основе двух организаций: ISA (International Federation of National Standardizing Associations), учрежденной в Нью-Йорке в 1926 году (расформирована в 1942 году), и UNSCC (United Nations Standards Coordinating Committee), учрежденной в 1944 году. Фактически ее работа началась с 1947 года. СССР был одним из основателей организации, постоянным членом руководящих органов, дважды представитель Госстандарта избирался председателем организации. Россия стала членом ИСО как правопреемник СССР. 23 сентября 2005 года Россия вошла в Совет ИСО. При создании организации и выборе ее названия учитывалась необходимость того, чтобы аббревиатура наименования звучала одинаково на всех языках. Для этого было решено использовать греческое слово ίσος (исос) – «равный», вот почему на всех языках мира Международная организация по стандартизации имеет краткое название «исо». Сфера деятельности ИСО касается стандартизации во всех областях, кроме электротехники и электроники, относящихся к компетенции Международной электротехнической комиссии (МЭК, IEC). Некоторые виды работ выполняются совместными усилиями этих организаций. Кроме стандартизации, ИСО занимается проблемами сертификации. ИСО определяет свои задачи следующим образом: содействие развитию стандартизации и смежных видов деятельности в мире с целью обеспечения международного обмена товарами и услугами; развитие сотрудничества в интеллектуальной, научно-технической и экономической областях. Для достижения цели ИСО: принимает меры по облегчению координации и унификации Национальных стандартов и разрабатывает рекомендации для комитетов-членов (комитетами-членами ИСО являются национальные организации по стандартизации, которые изъявили согласие выполнять требования устава и правил процедуры ИСО); 175 разрабатывает стандарты ИСО, если их одобрили 75 % комитетовчленов, участвующих в голосовании; по возможности способствует и облегчает разработку новых стандартов, содержащих общие правила, одинаково применимые как в национальных, так и в международном масштабах; организует обмен информацией о работе комитетов-членов и технических комитетов; сотрудничает с другими международными организациями, заинтересованными в смежных вопросах, в частности, по их просьбе изучает вопросы, относящиеся к стандартизации. Органами ИСО являются Генеральная ассамблея, Совет, комитеты Совета, Исполнительное бюро, Центральный секретариат, технические комитеты, подкомитеты, рабочие группы, официальные лица ИСО – президент, вицепрезидент, казначей и генеральный секретарь. Генеральная ассамблея является высшим руководящим органом ИСО и состоит из представителей всех национальных организаций по стандартизации комитетов-членов. Ассамблея определяет общую техническую политику организации и решает основные вопросы ее деятельности. Генеральную ассамблею созывает генеральный секретарь по решению президента или по просьбе не менее семи членов Совета или одиннадцати комитетов-членов не реже одного раза в три года. В период между сессиями Генеральной ассамблеи руководство организацией осуществляет Совет. Совет рассматривает и принимает решения по всем вопросам деятельности ИСО и собирается на заседания не реже одного раза в год. Совет может также собираться на свои заседания по решению президента или по просьбе членов Совета. При Совете создано Исполнительное бюро, которое является Консультативным органом по вопросам, рассматриваемым в Совете. Кроме того, Исполнительное бюро принимает решения по вопросам, которые направляет Совет, например финансовые вопросы, проекты соглашений о сотрудничестве ИСО с другими международными организациями. Организационно в ИСО входят руководящие и рабочие органы (рисунок 12.1). 176 Генеральная ассамблея СТАКО ПЛАКО Совет ИСО КАСКО ИНФКО КОПОЛКО ДЕВКО РЕМКО Исполнительное бюро Центральный секретариат Технические комитеты Подкомитеты Рабочие группы Рисунок 12.1 – Исполнительная система ИСО Кроме Исполнительного бюро, при Совете создан Центральный секретариат и ряд специальных технических комитетов для изучения отдельных общих вопросов деятельности организации. Центральный секретариат – это орган, вырабатывающий рекомендации для Совета по вопросам организации, координации и планирования технической деятельности ИСО. Он рассматривает предложения по созданию и роспуску технических комитетов, готовит рекомендации по внесению изменений и дополнений в директивы по технической работе ИСО, по поручению Совета принимает решения в отношении названий технических комитетов и сферы их деятельности, закрепления секретариатов технических комитетов за комитетами-членами и других вопросов. Для рассмотрения конкретных вопросов координации деятельности в отдельных отраслях техники или групп отраслей бюро создает консультативные группы, которые готовят рекомендации по рассматриваемым вопросам. Совету ИСО подчиняется семь комитетов: СТАКО (комитет по изучению научных принципов стандартизации); ПЛАКО (техническое бюро); КАСКО (комитет по оценке соответствия); ИНФКО (комитет по научно-технической информации); ДЕВКО (комитет по оказанию помощи развивающимся странам); КОПОЛКО (комитет по защите интересов потребителя); 177 РЕМКО (комитет по стандартным образцам). ИСО поддерживает контакты со многими международными организациями, которые в той или иной мере решают вопросы стандартизации. Среди них можно назвать Международную электротехническую комиссию (МЭК), Всемирную организацию здравоохранения, международное агентство по атомной энергии, Международную организацию законодательной метрологии, Европейскую экономическую комиссию ООН и др. 12.3 Научно-технические принципы и методы стандартизации 12.3.1 Общие сведения С развитием научно-технического прогресса все более тесной становится органическая связь стандартизации с техникой и экономикой современного хозяйства, которая должна базироваться на использовании научно-технических принципов и методов разработки стандартов. Поэтому для обеспечения высокого качества и эффективности стандартов необходимо на стадии их разработки выполнять следующие обязательные научно-технические принципы и методы стандартизации (рисунок 12.2). Научно-технические принципы стандартизации относятся к методическим основам стандартизации и способствуют эффективной разработке стандартов производства, сферы услуг, применения взаимозаменяемости изделий и др. 178 Комплексная стандартизация Принцип системности Научно-технические принципы и методы стандартизации Принцип обеспечения функциональной взаимозаменяемости Принцип прогрессивности и оптимизации стандартов Научноисследовательский принцип Взаимоувязка стандартов Опережающая стандартизация Принцип предпочтительности Принцип минимального удельного расхода материалов Рисунок 12.2 – Научно-технические принципы и методы стандартизации 12.3.2 Принципы, определяющие научно-техническую организацию работ по стандартизации Принцип системности. Научно-технический прогресс и повышение качества выпускаемой продукции вызвали объективную необходимость системного подхода к общественному процессу производства, включающему труд людей, обеспечивающих процесс производства, средства труда (совокупность применяемого оборудования, оснастки, инструмента, средств контроля и т. д.) и предметы труда (выпускаемую продукцию на всех стадиях ее создания и использования). Принцип обеспечения функциональной взаимозаменяемости стандартизируемых изделий позволяет обеспечить взаимозаменяемость изделий по эксплуатационным показателям и является главным при комплексной и опережающей стандартизации, а также при стандартизации изделий, технических условий на них и т. п. Научно-исследовательский принцип разработки стандартов. Для подготовки проектов стандартов и их успешного внедрения необходимо не только широкое обобщение практического опыта, но и проведение специальных теоретических, экспериментальных опытно-конструкторских работ. 179 Принцип предпочтительности используется при проведении унификации, типизации и разработке стандартов на изделия широкого применения, решении задач рационального выбора и установления градаций количественных значений параметров изделий (размеров, номиналов, масс и др.) и должен основываться на использовании рядов предпочтительных чисел. Установление на их основе рядов параметров (параметрических рядов), с одной стороны, препятствует неоправданному расширению номенклатуры и типоразмеров вновь создаваемых изделий, а с другой, позволяет установить такие технико-экономические характеристики изделий, которые соответствуют современным требованиям, и учесть перспективы развития соответствующих видов продукции. В Российской Федерации действует система предпочтительных чисел ИСО, устанавливающая предпочтительные числа и ряды предпочтительных чисел (ряды R). ГОСТ 8032-84 «Предпочтительные числа и ряды предпочтительных чисел», составленный с учетом рекомендаций ИСО, устанавливает четыре основных ряда предпочтительных чисел, обозначаемых R5, R10, R20, R40, и один дополнительный R80, значения w для которых составляют: R5 – w = 5 10 ≈ 1,6; R10 – w = 10 10 ≈ 1,25; R20 – w = 20 10 ≈ 1,12; R40 – w = 40 10 ≈ 1,06; R80 – w = 80 10 ≈ 1,03. В радиотехнических системах кроме рядов R для выражения числовых параметров ряда электрических величин используют числа, построенные по рядам, рекомендуемым МЭК. Для данных рядов (ряды Е) w = n 10 и n = 3, 6, 12, 24. Примером применения рядов E служат ряды номинальных значений сопротивлений и емкостей. 12.3.3 Методы стандартизации Методы стандартизации представляются в виде комплексной и опережающей стандартизации. Научно-технический прогресс требует постоянного сокращения сроков создания необходимой народному хозяйству новой техники, обладающей более прогрессивными производственно-техническими характеристиками. Ведущая роль в решении этих задач принадлежит комплексной стандартизации. 180 Комплексная стандартизация (КС) – это стандартизация, при которой осуществляется целенаправленное и планомерное установление и применение системы взаимоувязанных требований как к самому объекту КС в целом и его основным элементам, так и к материальным и нематериальным факторам, влияющим на объект, в целях обеспечения оптимального решения конкретной проблемы. Следовательно, сущность КС следует понимать как систематизацию, оптимизацию и увязку всех взаимодействующих факторов, обеспечивающих экономически оптимальный уровень качества продукции в требуемые сроки. Комплексная стандартизация является одним из важнейших направлений стандартизации. Она позволяет создавать комплексы согласованных между собой нормативно-технических документов по стандартизации, регламентирующих нормы и требования к взаимосвязанным (в процессе проектирования, производства или эксплуатации) объектам стандартизации. К основным задачам разработки и выполнения программ КС следует отнести следующие: обеспечение всемерного повышения эффективности общественного производства, технического уровня и качества продукции, усиление режима экономии всех видов производственных ресурсов; повышение научно-технического уровня стандартов и их организующей роли в ускорении научно-технического прогресса на основе широкого использования результатов научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, лучших отечественных и зарубежных достижений науки и техники; регламентация взаимосвязанных норм и требований к общетехническим и отраслевым комплексам нематериальных объектов стандартизации (системы документации, системы общетехнических норм, системы норм техники безопасности и т. п.), а также к элементам этих комплексов; регламентация норм и требований к взаимосвязанным объектам, элементам этих объектов (в машиностроении – деталям, узлам и агрегатам), а также к тем видам сырья, материалов, полуфабрикатов, комплектующих изделий, тары, упаковки и т. п. и к технологическим процессам изготовления, транспортирования и эксплуатации, показатели которых должны быть регламентированы на определенном уровне, определяемом требованиями, предъявляемыми к самому объекту стандартизации. КС позволяет установить наиболее рациональные в техническом отношении параметрические ряды и сортамент промышленной продукции, устранять ее излишнее многообразие, неоправданную разнотипность, создавать 181 техническую базу для организации массового и поточного производства на специализированных предприятиях с применением более совершенной технологии, ускорять внедрение новейшей техники и обеспечивать эффективное решение многих вопросов, связанных с повышением качества изделий, их надежности, долговечности, ремонтопригодности, безопасности в условиях эксплуатации (потребления). Основным преимуществом КС является то, что требования к стандартизации каждого объекта подчинены задаче обеспечения технико-экономической эффективности всей группы (системы) объектов в целом. В современных условиях инструментом практической организации работ по КС продукции является разработка и реализация программ комплексной стандартизации. Они направлены на решение важнейших народнохозяйственных проблем, предусматривают «сквозные» требования на сырье, материалы, полуфабрикаты, детали, узлы, комплектующие изделия, оборудование, инструменты, технические средства контроля и испытаний, метрологическое обеспечение, методы организации и технологической подготовки производства, хранения, транспортирования, регламентирующие условия работы для достижения установленного нормативно-техническими документами технического уровня и качества изделий. Многие программы комплексной стандартизации представляют собой крупные межотраслевые комплексы. В качестве примера межотраслевых комплексов можно привести системы общетехнических стандартов. Эти системы объединяют в каждом комплексе несколько десятков прогрессивных стандартов, охватывающих все стадии жизненного цикла изделий: исследование и проектирование, подготовку производства, производство, эксплуатацию и ремонт. Внедрение комплексных систем стандартов повышает эффективность инженерного труда, качество продукции и экономичность ее производства. В настоящее время действуют следующие межотраслевые системы стандартов, направленные на решение крупных народнохозяйственных задач, обеспечивающих повышение эффективности производства высококачественной продукции: единая система конструкторской документации (ЕСКД); единая система технологической документации (ЕСТД); система показателей качества продукции (СПКП); унифицированные системы документации (УСД); система информационно-библиографической документации; государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ); 182 единая система защиты от коррозии и старения материалов и изделий (ЕСЗКС); стандарты на товары, поставляемые на экспорт; система стандартов безопасности труда (ССБТ); единая система технологической подготовки производства (ЕСТПП); разработка и постановка продукции на производство; система стандартов в области охраны природы и улучшения использования природных ресурсов; единая система программной документации (ЕСПД); единая система государственного управления качеством продукции (ЕСГУКП); система проектной документации для строительства (СПДС); единая система стандартов приборостроения (ЕССП) и др. Опережающая стандартизация (ОС) – это стандартизация, заключающаяся в установлении повышенных по отношению к уже достигнутому на практике уровню норм, требований к объектам стандартизации, которые, согласно прогнозам, будут оптимальными в последующее планируемое время. Опережение может относиться как к изделию в целом, так и к наиболее важным параметрам и показателям его качества, методам и средствам производства, испытания и контроля и т. д. В зависимости от метода решения основной задачи различают несколько форм стандартизации. Симплификация – форма стандартизации, заключающаяся в простом сокращении числа применяемых при разработке изделия или при его производстве марок и сортаментов материалов, полуфабрикатов, комплектующих изделий и т. п. до количества, технически и экономически целесообразного, достаточного для выпуска изделий с требуемыми показателями качества. Как правило, при симплификации в объекты стандартизации не вносят каких-либо существенных технических усовершенствований. Являясь простейшей формой и начальной стадией более сложных форм стандартизации, симплификация оказывается экономически выгодной, так как приводит к упрощению производства, облегчает материально-техническое снабжение, складирование, отчетность. Унификация – рациональное уменьшение числа типов, видов и размеров объектов одинакового функционального назначения. Объектами унификации наиболее часто являются отдельные изделия, их составные части, детали, комплектующие изделия, марки материалов и т. п. Проводится унификация на ос183 нове анализа и изучения конструктивных вариантов изделий, их применяемости, путем сведения близких по назначению, конструкции и размерам изделий, их составных частей и деталей к единой типовой (унифицированной) конструкции. При необходимости в конструкцию унифицируемых изделий и их элементов вносят технические усовершенствования и доработки. Таким образом устанавливается минимально необходимое для практики число типов, видов и типоразмеров изделий, обладающих высокими показателями качества и полной взаимозаменяемостью. В настоящее время унификация является наиболее распространенной и эффективной формой стандартизации. Конструирование аппаратуры, машин и механизмов с применением унифицированных элементов позволяет не только сократить сроки разработки и уменьшить стоимость изделий, но и повысить их надежность, сократить сроки технологической подготовки и освоения производства. Типизация – это разновидность стандартизации, заключающаяся в разработке и установлении типовых решений (конструктивных, технологических, организационных и т. п.) на основе наиболее прогрессивных методов и режимов работы. Применительно к конструкциям типизация состоит в том, что некоторое конструктивное решение (существующее или специально разработанное) принимается за основное – базовое для нескольких одинаковых или близких по функциональному назначению изделий. Требуемая же номенклатура и варианты изделий строятся на основе базовой конструкции путем внесения в нее ряда второстепенных изменений и дополнений. Типизация технологических процессов включает в себя создание типовых процессов изготовления деталей, выполнения сборочных операций, методов измерения и контроля и т. п. Типовой технологический процесс создается на основе тщательного анализа технологии производства соответствующих изделий. Агрегатирование – метод создания новых машин, приборов и другого оборудования путем компоновки конечного изделия из ограниченного набора стандартных и унифицированных узлов и агрегатов, обладающих геометрической и функциональной взаимозаменяемостью. 12.3.4 Работы, выполняемые при стандартизации Основные работы, выполняемые при стандартизации: систематизация объектов, явлений или понятий; 184 кодирование и классификация технико-экономической информации; унификация и симплификация деталей, сборочных единиц, узлов, агрегатов, машин, приборов; типизация конструкций, изделий и технологических процессов; агрегатирование машин и других изделий. Систематизация объектов, явлений или понятий преследует цель расположить их в определенном порядке и последовательности, образующей четкую систему, удобную для пользования. При систематизации необходимо учитывать взаимосвязь объектов. Наиболее простой формой систематизации является алфавитная система расположения объектов. Такую систему используют, например, в различных справочниках. Применяют также порядковую нумерацию систематизируемых объектов или расположение их в хронологической последовательности. Кодирование представляет собой образование по определенным правилам и присвоение кодов объекту или группе объектов, позволяющее заменить несколькими знаками (символами) наименования этих объектов. С помощью кодов обеспечивается идентификация объектов максимально коротким способом, т. е. с помощью минимального числа знаков. Стремление к минимизации количества знаков, идентифицирующих объекты, способствует повышению эффективности сбора, учета, хранения, обработки информации. Классификация – это разделение множества объектов на классификационные группировки по сходству или различию на основе определенных признаков в соответствии с принятыми правилами. Основными методами классификации объектов технико-экономической и социальной информации являются иерархический и фасетный. Иерархический метод характеризуется тем, что исходное множество объектов последовательно разделяется на подмножества (классификационные группировки), а те, в свою очередь, – на подмножества и т. д., то есть множество объектов разделяется на классы, группы, виды и т. д. по основным признакам, характеризующим эти объекты по принципу – от общего к частному, т. е. каждая группировка в соответствии с выбранным признаком (основанием деления) делится на несколько других группировок, каждая из которых по другому признаку делится еще на несколько подчиненных группировок, и т. д. Таким образом, между классификационными группировками устанавливается отношение подчинения (иерархии). 185 Фасетный метод классификации характеризуется тем, что множество объектов разделяется на независимые подмножества (классификационные группировки), обладающие определенными признаками, необходимыми для решения конкретных задач. Порядок проведения работ по классификации и кодированию информации регламентирован комплексом государственных стандартов – Единой системой классификации и кодирования технико-экономической и социальной информации (ЕСКК ТЭИ). ЕСКК ТЭИ регламентирует состав и содержание работ по созданию классификаторов технико-экономической информации, поддержанию их в актуальном состоянии путем внесения изменений, а также порядок разработки классификаторов и их практического применения. Классификатор представляет собой документ, содержащий систематизированный перечень кодов и наименований объектов классификации и классифицированных группировок, разработанный и утвержденный в установленном порядке, обязательный для применения на различных уровнях управления. В зависимости от уровня утверждения и сферы применения разрабатываются классификаторы следующих категорий: общероссийский; отраслевые; предприятий (объединений, организаций, ассоциаций и т. д.). Контрольные вопросы к главе 12 Дайте определение понятию «стандартизация». Назовите основные цели и задачи стандартизации. Какие нормативные документы используют в области стандартизации? Расскажите о национальных стандартах и общероссийских классификаторах технико-экономической и социальной информации. 5. Перечислите категории и виды стандартов. 6. Что представляют собой стандарты организаций? 7. Поясните особенности международных стандартов. 8. Опишите назначение, применение и разработку технических условий. 9. В чем заключается принцип предпочтительности в стандартизации? 10. Каково международное сотрудничество в сфере стандартизации? 11. Перечислите международные организации, действующие в сфере стандартизации. 12. Что такое унификация объектов стандартизации? 1. 2. 3. 4. 186 13. Что такое агрегатирование? 14. Для чего служат предпочтительные числа и их ряды? 15. Перечислите основные и дополнительные ряды предпочтительных чисел. 16. Каковы правила построения рядов предпочтительных чисел по рядам Е, установленным Международной электротехнической комиссией? 17. Каковы цели Единой системы конструкторской документации? 18. Что предусматривает Единая система технической документации? 187 13 Подтверждение соответствия Подтверждение соответствия продукции и услуг является одной из составляющих механизма оценки их безопасности и применяется на дорыночной стадии обращения продукции. Согласно Федеральному закону «О техническом регулировании», подтверждение соответствия – документальное удостоверение соответствия продукции или иных объектов, процессов производства, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации и утилизации, выполнения работ или оказания услуг требованиям технических регламентов, положениям стандартов или условиям договоров. Суть подтверждения соответствия состоит не столько в гармонизации терминологии в области сертификации, сколько в переходе на более гибкие формы оценки соответствия (оценка соответствия – прямое или косвенное определение соблюдения требований, предъявляемых к объекту), в переходе от сертификации как единственной формы оценки соответствия к разнообразным формам, включая подтверждение соответствия через декларирование соответствия. Сертификация – форма осуществляемого органом по сертификации подтверждения соответствия объектов требованиям технических регламентов, положениям стандартов или условиям договоров. Термин «сертификация» произошел от слова «сертификат» (фр. certificat, лат. certum – «верно» и facere – «делать»), что означает «сделано верно». Как таковая сертификация появилась очень давно. Ремесленники в древних городах каким-либо способом помечали свои изделия, чтобы удостоверить свое авторство. Таким подтверждением являлось, например, клеймо мастера на изделии. Свидетельством качества товара часто выступало просто заявление мастера, если он имел высокую и безупречную репутацию. Собственно термин «сертификация» в общепринятой международной терминологии определяют как установление соответствия. Впервые он был сформулирован и определен Комитетом по сертификации (СЕРТИКО) ИСО и включен в Руководство 2 ИСО (ИСО/МЭК2) версии 1982 года «Общие термины и определения в области стандартизации, сертификации и аккредитации испытательных лабораторий». Согласно этому документу, сертификация определялась как действие, удостоверяющее посредством сертификата соответствия или знака соответствия, что изделие или услуга соответствует определенным стандартам, техническим условиям или другим нормативным документам. При этом под сертификатом соответствия (сертификатом) понимался выдаваемый в соответствии с правилами системы сертификации документ, удостоверяющий 188 соответствие объекта требованиям технических регламентов, положениям стандартов или условиям договоров, конкретному стандарту или другому нормативному документу. Законодательные основы подтверждения соответствия устанавливает закон «О техническом регулировании». 13.1 Цели, принципы и формы подтверждения соответствия 13.1.1 Цели подтверждения соответствия Подтверждение соответствия осуществляется в целях: удостоверения соответствия продукции, процессов проектирования (включая изыскания), производства, строительства, монтажа, наладки, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации и утилизации, работ, услуг или иных объектов техническим регламентам, стандартам, сводам правил, условиям договоров; содействия приобретателям в компетентном выборе продукции, работ, услуг; повышения конкурентоспособности продукции, работ, услуг на российском и международном рынках; создания условий для обеспечения свободного перемещения товаров по территории Российской Федерации, а также для осуществления международного экономического, научно-технического сотрудничества и международной торговли. 13.1.2 Принципы подтверждения соответствия Подтверждение соответствия осуществляется на основе принципов: доступности информации о порядке осуществления подтверждения соответствия заинтересованным лицам; недопустимости применения обязательного подтверждения соответствия к объектам, в отношении которых не установлены требования технических регламентов; установления перечня форм и схем обязательного подтверждения соответствия в отношении определенных видов продукции в соответствующем техническом регламенте; 189 уменьшения сроков осуществления обязательного подтверждения соответствия и затрат заявителя; недопустимости принуждения к осуществлению добровольного подтверждения соответствия, в том числе в определенной системе добровольной сертификации; защиты имущественных интересов заявителей, соблюдения коммерческой тайны в отношении сведений, полученных при осуществлении подтверждения соответствия; недопустимости подмены обязательного подтверждения соответствия добровольной сертификацией. Подтверждение соответствия разрабатывается и применяется равным образом и в равной мере независимо от страны и (или) места происхождения продукции, осуществления процессов проектирования (включая изыскания), производства, строительства, монтажа, наладки, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации и утилизации, выполнения работ и оказания услуг, видов или особенностей сделок и (или) лиц, которые являются изготовителями, исполнителями, продавцами, приобретателями. 13.1.3 Формы подтверждения соответствия 1. Подтверждение соответствия на территории Российской Федерации может носить добровольный или обязательный характер. 2. Добровольное подтверждение соответствия осуществляется в форме добровольной сертификации. 3. Обязательное подтверждение соответствия осуществляется в формах: принятия декларации о соответствии (далее – декларирование соответствия); обязательной сертификации. Порядок применения форм обязательного подтверждения соответствия устанавливается Федеральным законом. 13.2 Добровольное подтверждение соответствия. Знак соответствия 13.2.1 Добровольное подтверждение соответствия Добровольное подтверждение соответствия осуществляется по инициативе заявителя на условиях договора между заявителем и органом по сертифика190 ции. Добровольное подтверждение соответствия может осуществляться для установления соответствия национальным стандартам, стандартам организаций, сводам правил, системам добровольной сертификации, условиям договоров. Объектами добровольного подтверждения соответствия являются продукция, процессы производства, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации и утилизации, работы и услуги, а также иные объекты, в отношении которых стандартами, системами добровольной сертификации и договорами устанавливаются требования. Орган по сертификации: осуществляет подтверждение соответствия объектов добровольного подтверждения соответствия; выдает сертификаты соответствия на объекты, прошедшие добровольную сертификацию; предоставляет заявителям право на применение знака соответствия, если применение знака соответствия предусмотрено соответствующей системой добровольной сертификации; приостанавливает или прекращает действие выданных им сертификатов соответствия. Система добровольной сертификации может быть создана юридическим лицом и (или) индивидуальным предпринимателем или несколькими юридическими лицами и (или) индивидуальными предпринимателями. Лицо или лица, создавшие систему добровольной сертификации, устанавливают перечень объектов, подлежащих сертификации, и их характеристик, на соответствие которым осуществляется добровольная сертификация, правила выполнения предусмотренных данной системой добровольной сертификации работ и порядок их оплаты, определяют участников данной системы добровольной сертификации. Системой добровольной сертификации может предусматриваться применение знака соответствия. Система добровольной сертификации может быть зарегистрирована федеральным органом исполнительной власти по техническому регулированию. Для регистрации системы добровольной сертификации в федеральный орган исполнительной власти по техническому регулированию представляются: свидетельство о государственной регистрации юридического лица и (или) индивидуального предпринимателя; 191 правила функционирования системы добровольной сертификации, которыми предусмотрены положения настоящего документа; изображение знака соответствия, применяемое в данной системе добровольной сертификации, если применение знака соответствия предусмотрено, и порядок применения знака соответствия; документ об оплате регистрации системы добровольной сертификации. Отказ в регистрации системы добровольной сертификации допускается только в случае непредставления документов, предусмотренных законом, или совпадения наименования системы и (или) изображения знака соответствия с наименованием системы и (или) изображением знака соответствия зарегистрированной ранее системы добровольной сертификации. Уведомление об отказе в регистрации системы добровольной сертификации направляется заявителю в течение трех дней со дня принятия решения об отказе в регистрации этой системы с указанием оснований для отказа. Отказ в регистрации системы добровольной сертификации может быть обжалован в судебном порядке. Федеральный орган исполнительной власти по техническому регулированию ведет единый реестр зарегистрированных систем добровольной сертификации, содержащий сведения о юридических лицах и (или) об индивидуальных предпринимателях, создавших системы добровольной сертификации, о правилах функционирования систем добровольной сертификации, знаках соответствия и порядке их применения. Порядок ведения единого реестра зарегистрированных систем добровольной сертификации и порядок предоставления сведений, содержащихся в этом реестре, устанавливаются федеральным органом исполнительной власти по техническому регулированию. 13.2.2 Знаки соответствия Знак соответствия – обозначение, служащее для информирования приобретателей, в том числе потребителей, о соответствии объекта сертификации требованиям системы добровольной сертификации. Объекты сертификации, сертифицированные в системе добровольной сертификации, могут маркироваться знаком соответствия системы добровольной сертификации. Порядок применения такого знака соответствия устанавливается правилами соответствующей системы добровольной сертификации. 192 Объекты, соответствие которых не подтверждено в порядке, установленном настоящим Федеральным законом, не могут быть маркированы знаком соответствия. 13.3 Обязательное подтверждение соответствия. Знак обращения на рынке 13.3.1 Обязательное подтверждение соответствия Обязательное подтверждение соответствия проводится только в случаях, установленных соответствующим техническим регламентом, и исключительно на соответствие требованиям технического регламента. Объектом обязательного подтверждения соответствия может быть только продукция, выпускаемая в обращение на территории Российской Федерации. Форма и схемы обязательного подтверждения соответствия могут устанавливаться только техническим регламентом с учетом степени риска недостижения целей технических регламентов. Декларация о соответствии и сертификат соответствия имеют равную юридическую силу и действуют на всей территории Российской Федерации в отношении каждой единицы продукции, выпускаемой в обращение на территории Российской Федерации во время действия декларации о соответствии или сертификата соответствия, в течение срока годности или срока службы продукции, установленных в соответствии с законодательством Российской Федерации. Работы по обязательному подтверждению соответствия подлежат оплате на основании договора с заявителем. Стоимость работ по обязательному подтверждению соответствия продукции определяется независимо от страны и (или) места ее происхождения, а также лиц, которые являются заявителями. 13.3.2 Декларирование соответствия Декларирование соответствия – форма подтверждения соответствия продукции требованиям технических регламентов. Декларирование соответствия осуществляется по одной из следующих схем: 193 принятие декларации о соответствии на основании собственных доказательств; принятие декларации о соответствии на основании собственных доказательств, доказательств, полученных с участием органа по сертификации и (или) аккредитованной испытательной лаборатории (центра) (далее – третья сторона). При декларировании соответствия заявителем может быть зарегистрированные в соответствии с законодательством Российской Федерации на ее территории юридическое лицо или физическое лицо в качестве индивидуального предпринимателя, либо являющиеся изготовителем или продавцом, либо выполняющие функции иностранного изготовителя на основании договора с ним в части обеспечения соответствия поставляемой продукции требованиям технических регламентов и в части ответственности за несоответствие поставляемой продукции требованиям технических регламентов (лицо, выполняющее функции иностранного изготовителя). Круг заявителей устанавливается соответствующим техническим регламентом. Схема декларирования соответствия с участием третьей стороны устанавливается в техническом регламенте в случае, если отсутствие третьей стороны приводит к недостижению целей подтверждения соответствия. При декларировании соответствия заявитель на основании собственных доказательств самостоятельно формирует доказательственные материалы в целях подтверждения соответствия продукции требованиям технического регламента. В качестве доказательственных материалов используются техническая документация, результаты собственных исследований (испытаний) и измерений и (или) другие документы, послужившие основанием для подтверждения соответствия продукции требованиям технического регламента. Техническая документация должна содержать: основные параметры и характеристики продукции, а также ее описание в целях оценки соответствия продукции требованиям технического регламента; описание мер по обеспечению безопасности продукции на одной или нескольких стадиях проектирования (включая изыскания), производства, строительства, монтажа, наладки, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации и утилизации; список документов по стандартизации, применяемых полностью или частично и включенных в перечень документов по стандартизации, в результа194 те применения которых на добровольной основе обеспечивается соблюдение требований технического регламента, и, если не применялись указанные документы по стандартизации, описание решений, выбранных для реализации требований технического регламента. В случае если документы по стандартизации, включенные в перечень документов по стандартизации, в результате применения которых на добровольной основе обеспечивается соблюдение требований технического регламента, применялись частично, в технической документации указываются применяемые разделы указанных документов. Техническая документация также может содержать общее описание продукции, конструкторскую и технологическую документацию на продукцию, схемы компонентов, узлов, цепей, описания и пояснения, необходимые для понимания указанных схем, а также результаты выполненных проектных расчетов, проведенного контроля, иные документы, послужившие мотивированным основанием для подтверждения соответствия продукции требованиям технического регламента. Техническая документация, используемая в качестве доказательственного материала, также может содержать анализ риска применения (использования) продукции. Состав доказательственных материалов определяется соответствующим техническим регламентом, состав указанной технической документации может уточняться соответствующим техническим регламентом. При декларировании соответствия на основании собственных доказательств и полученных с участием третьей стороны доказательств заявитель по своему выбору в дополнение к собственным доказательствам, сформированным в порядке, указанном выше: включает в доказательственные материалы протоколы исследований (испытаний) и измерений, проведенных в аккредитованной испытательной лаборатории (центре); предоставляет сертификат системы качества, в отношении которого предусматривается контроль (надзор) органа по сертификации, выдавшего данный сертификат, за объектом сертификации. При декларировании соответствия заявитель, не применяющий документов по стандартизации, включенных в перечень документов по стандартизации, в результате применения которых на добровольной основе обеспечивается соблюдение требований технического регламента, может обратиться в орган по сертификации за заключением о соответствии его продукции требованиям технического регламента и на основании указанного заключения органа по сертификации, подготовленного по результатам проведенных исследований (испы195 таний), измерений типового образца выпускаемой продукции, технической документации на данную продукцию, принять декларацию о соответствии в порядке, установленном соответствующим техническим регламентом. Декларация о соответствии – документ, удостоверяющий соответствие выпускаемой в обращение продукции требованиям технических регламентов. Декларация о соответствии оформляется на русском языке и должна содержать: наименование и местонахождение заявителя; наименование и местонахождение изготовителя; информацию об объекте подтверждения соответствия, позволяющую идентифицировать этот объект; наименование технического регламента, на соответствие требованиям которого подтверждается продукция; указание на схему декларирования соответствия; заявление заявителя о безопасности продукции при ее использовании в соответствии с целевым назначением и принятии заявителем мер по обеспечению соответствия продукции требованиям технических регламентов; сведения о проведенных исследованиях (испытаниях) и измерениях, сертификате системы качества, а также документах, послуживших основанием для подтверждения соответствия продукции требованиям технических регламентов; срок действия декларации о соответствии; иные предусмотренные соответствующими техническими регламентами сведения. Срок действия декларации о соответствии определяется техническим регламентом. Форма декларации о соответствии утверждается федеральным органом исполнительной власти по техническому регулированию. Оформленная заявителем в декларация о соответствии подлежит регистрации в едином реестре деклараций о соответствии в течение трех дней. 13.3.3 Обязательная сертификация Обязательная сертификация осуществляется органом по сертификации на основании договора с заявителем. Схемы сертификации, применяемые для сертификации определенных видов продукции, устанавливаются соответству196 ющим техническим регламентом. Круг заявителей устанавливается соответствующим техническим регламентом. Соответствие продукции требованиям технических регламентов подтверждается сертификатом соответствия, выдаваемым заявителю органом по сертификации. Сертификат соответствия включает в себя: наименование и местонахождение заявителя; наименование и местонахождение изготовителя продукции, прошедшей сертификацию; наименование и местонахождение органа по сертификации, выдавшего сертификат соответствия; информацию об объекте сертификации, позволяющую идентифицировать этот объект; наименование технического регламента, на соответствие требованиям которого проводилась сертификация; информацию о проведенных исследованиях (испытаниях) и измерениях; информацию о документах, представленных заявителем в орган по сертификации в качестве доказательств соответствия продукции требованиям технических регламентов; срок действия сертификата соответствия; информацию об использовании или о неиспользовании заявителем национальных стандартов Российской Федерации, включенных в перечень документов по стандартизации, в результате применения которых на добровольной основе обеспечивается соблюдение требований технического регламента. Сертификат соответствия выдается на серийно выпускаемую продукцию, на отдельно поставляемую партию продукции или на единичный экземпляр продукции. Срок действия сертификата соответствия определяется соответствующим техническим регламентом и исчисляется со дня внесения сведений о сертификате соответствия в единый реестр сертификатов соответствия. Форма сертификата соответствия утверждается федеральным органом исполнительной власти по техническому регулированию. Особенности маркировки впервые выпускаемой в обращение продукции, в том числе знаком обращения на рынке, порядок информирования приобретателя, в том числе потребителя, о возможном вреде такой продукции и о факторах, от которых он зависит, определяются Правительством Российской Федерации. 197 13.3.4 Организация обязательной сертификации Обязательная сертификация осуществляется органом по сертификации, аккредитованным в соответствии с законодательством Российской Федерации об аккредитации в национальной системе аккредитации. Орган по сертификации: привлекает на договорной основе для проведения исследований (испытаний) и измерений аккредитованные испытательные лаборатории (центры); осуществляет контроль за объектами сертификации, если такой контроль предусмотрен соответствующей схемой обязательной сертификации и договором; ведет реестр выданных им сертификатов соответствия; информирует соответствующие органы государственного контроля (надзора) за соблюдением требований технических регламентов о продукции, поступившей на сертификацию, но не прошедшей ее; выдает сертификаты соответствия, приостанавливает или прекращает действие выданных им сертификатов соответствия и информирует об этом федеральный орган исполнительной власти, организующий формирование и ведение единого реестра сертификатов соответствия, и органы государственного контроля (надзора) за соблюдением требований технических регламентов; обеспечивает предоставление заявителям информации о порядке проведения обязательной сертификации; определяет стоимость работ по сертификации, выполняемых в соответствии с договором с заявителем; в порядке, установленном соответствующим техническим регламентом, принимает решение о продлении срока действия сертификата соответствия, в том числе по результатам проведенного контроля за сертифицированными объектами; осуществляет отбор образцов для целей сертификации и представляет их для проведения исследований (испытаний) и измерений в аккредитованные испытательные лаборатории (центры) или поручает осуществить такой отбор аккредитованным испытательным лабораториям (центрам); подготавливает заключение, на основании которого заявитель вправе принять декларацию о соответствии по результатам проведенных исследований (испытаний), измерений типовых образцов выпускаемой в обращение продукции и технической документации на данную продукцию. 198 Порядок формирования и ведения единого реестра сертификатов соответствия, порядок предоставления содержащихся в указанном реестре сведений и оплаты за их предоставление, а также федеральный орган исполнительной власти, организующий формирование и ведение указанного реестра, определяется Правительством Российской Федерации. Порядок выдачи бланков сертификатов соответствия устанавливается Правительством Российской Федерации. Исследования (испытания) и измерения продукции при осуществлении обязательной сертификации проводятся аккредитованными испытательными лабораториями (центрами). Аккредитованные испытательные лаборатории (центры) проводят исследования (испытания) и измерения продукции в пределах своей области аккредитации на условиях договоров с органами по сертификации. Органы по сертификации не вправе предоставлять аккредитованным испытательным лабораториям (центрам) сведения о заявителе. Аккредитованная испытательная лаборатория (центр) оформляет результаты исследований (испытаний) и измерений соответствующими протоколами, на основании которых орган по сертификации принимает решение о выдаче или об отказе в выдаче сертификата соответствия. Аккредитованная испытательная лаборатория (центр) обязана обеспечить достоверность результатов исследований (испытаний) и измерений. 13.3.5 Знак обращения на рынке Знак обращения на рынке – обозначение, служащее для информирования приобретателей о соответствии выпускаемой в обращение продукции требованиям технических регламентов. Продукция, соответствие которой требованиям технических регламентов подтверждено в порядке, предусмотренном настоящим Федеральным законом, маркируется знаком обращения на рынке. Изображение знака обращения на рынке устанавливается Правительством Российской Федерации. Данный знак не является специальным защищенным знаком и наносится в информационных целях. Маркировка знаком обращения на рынке осуществляется заявителем самостоятельно любым удобным для него способом. 199 Продукция, соответствие которой требованиям технических регламентов не подтверждено в порядке, установленном настоящим Федеральным законом, не может быть маркирована знаком обращения на рынке. 13.3.6 Права и обязанности заявителя в области обязательного подтверждения соответствия Заявитель вправе: выбирать форму и схему подтверждения соответствия, предусмотренные для определенных видов продукции соответствующим техническим регламентом; обращаться для осуществления обязательной сертификации в любой орган по сертификации, область аккредитации которого распространяется на продукцию, которую заявитель намеревается сертифицировать; обращаться в орган по аккредитации с жалобами на неправомерные действия органов по сертификации и аккредитованных испытательных лабораторий (центров) в соответствии с законодательством Российской Федерации; использовать техническую документацию для подтверждения соответствия продукции требованиям технических регламентов. Заявитель обязан: обеспечивать соответствие продукции требованиям технических регламентов; выпускать в обращение продукцию, подлежащую обязательному подтверждению соответствия, только после осуществления такого подтверждения соответствия; указывать в сопроводительной документации сведения о сертификате соответствия или декларации о соответствии; предъявлять в органы государственного контроля (надзора) за соблюдением требований технических регламентов, а также заинтересованным лицам документы, свидетельствующие о подтверждении соответствия продукции требованиям технических регламентов (декларацию о соответствии, сертификат соответствия или их копии), либо регистрационный номер сертификата соответствия или декларации о соответствии; приостанавливать или прекращать реализацию продукции, если действие сертификата соответствия или декларации о соответствии приостановлено либо прекращено; 200 извещать орган по сертификации об изменениях, вносимых в техническую документацию или технологические процессы производства сертифицированной продукции; приостанавливать производство продукции, которая прошла подтверждение соответствия и не соответствует требованиям технических регламентов, на основании решений органов государственного контроля (надзора) за соблюдением требований технических регламентов; приостанавливать или прекращать реализацию продукции, если срок действия сертификата соответствия или декларации о соответствии истек, за исключением продукции, выпущенной в обращение на территории Российской Федерации во время действия декларации о соответствии или сертификата соответствия, в течение срока годности или срока службы продукции, установленных в соответствии с законодательством Российской Федерации. 13.3.7 Система сертификации. Схемы сертификации Система сертификации – совокупность правил выполнения работ по сертификации, ее участников и правил функционирования системы сертификации в целом. Система сертификации включает участников работ, нормативную базу, правила управления системой и правила проведения сертификации. Крупные системы сертификации, охватывающие разнородную номенклатуру продукции (услуг), включают несколько подсистем – систем сертификации однородной продукции. Эти системы создаются при необходимости конкретизации общих правил применительно к совокупности видов продукции, обладающей определенной общностью признаков. В системе сертификации устанавливаются: номенклатура товара, подлежащего сертификации в данной системе; нормативные документы, на соответствие которым проводится сертификация, проверяемые требования и используемые методы испытаний; структура системы, функция ее участников; схемы сертификации, применяемые в данной системе; правила отбора и идентификации образцов для испытаний; формы сертификата и знака соответствия, правила нанесения знака соответствия; условия и правила признания (использования) протоколов испытаний и сертификатов соответствия, выданных зарубежными организациями; 201 порядок проведения инспекционного контроля за соблюдением правил сертификации и за сертифицированной продукцией; порядок рассмотрения апелляций; порядок взаимодействия с федеральными органами исполнительной власти. Сертификация проводится по установленным в системе сертификации схемам. Схема сертификации – это состав и последовательность действий третьей стороны при оценке соответствия продукции, услуг, систем качества и персонала. Как правило, система сертификации предусматривает несколько схем. При выборе схемы должны учитываться особенности производства, испытаний, поставки и использования конкретной продукции, требуемый уровень доказательности, возможные затраты заявителя. Схема сертификации должна обеспечивать необходимую доказательность сертификации. Для этого рекомендуется использовать общепризнанные схемы, в том числе и в международной практике. Большинство из них признаны за рубежом и являются общепринятыми. Схема сертификации в общем случае содержит три элемента доказательства соответствия: испытания, проверку производства, инспекционный контроль. Схемы сертификации, применяемые для сертификации определенных видов продукции, устанавливаются соответствующим техническим регламентом. Соответствие продукции требованиям технических регламентов подтверждается сертификатом соответствия, выдаваемым заявителю органом по сертификации. 13.4 Основные стадии сертификации Основные этапы процесса сертификации неизменны и независимы от вида и объекта сертификации. Можно выделить 5 основных этапов: заявка на сертификацию; оценка соответствия объекта сертификации установленным требованиям; анализ результатов оценки соответствия; решение по сертификации; инспекционный контроль за сертифицированным объектом. 202 Этап заявки на сертификацию заключается в выборе заявителем органа по сертификации, способного провести оценку соответствия интересующего его объекта. Это определяется областью аккредитации органа по сертификации. Если данную работу могут провести несколько органов по сертификации, то заявитель может обратиться в любой из них. Заявка направляется по установленной в системе сертификации форме. Орган по сертификации рассматривает ее и сообщает заявителю решение. Этап оценки соответствия имеет особенности в зависимости от объекта сертификации. Применительно к продукции он состоит из отбора и идентификации образцов изделий и их испытаний. Образцы должны быть такими же, как и продукция, поставляемая потребителю. Образцы выбираются случайным образом по установленным правилам из готовой продукции. Все этапы движения образцов в ходе работ по сертификации должны документироваться и подтверждаться подписью ответственных лиц. Этап анализа практической оценки соответствия объекта сертификации установленным требованиям заключается в рассмотрении результатов испытаний, экзамена или проверки системы качества в органе по сертификации. При сертификации систем качества анализ результатов оценки соответствия проводится на основании акта о проверке. Решение по сертификации сопровождается выдачей сертификата соответствия заявителю или отказом в нем. При положительных результатах испытаний орган по сертификации оформляет сертификат соответствия, регистрирует его и выдает лицензию на право применения знака соответствия. При отрицательных результатах, несоблюдении требований заявителю выдают заключение с указанием причин отказа в выдаче сертификации. Инспекционный контроль за сертификационным объектом проводится органом, выдавшим сертификат, если это предусмотрено схемой сертификации. Он проводится в течение всего срока действия сертификата обычно один раз в год в форме периодических проверок. В комиссии органа по сертификации при инспекционном контроле могут участвовать специалисты территориальных органов Госстандарта России, представители обществ потребителей и других заинтересованных организаций. Инспекционный контроль включает анализ информации о сертифицированном объекте, проведение выборочных проверок образцов продукции, услуг или элементов системы качества. 203 Контрольные вопросы к главе 13 1. Назовите основные цели, принципы, методы и формы подтверждения соответствия. 2. В каких случаях осуществляется добровольное подтверждение соответствия? В каких случаях осуществляется обязательное подтверждение соответствия? 3. Для чего осуществляют декларирование соответствия? 4. Когда применяют обязательную сертификацию и как ее организуют? 5. Когда применяют знаки соответствия и когда знаки обращения на рынке? 6. Перечислите права и обязанности заявителя в области обязательного подтверждения соответствия. 7. Перечислите этапы процесса аккредитации. 8. Назовите основные стадии подтверждения соответствия. 204 ПРИЛОЖЕНИЕ А Примеры решения задач Определение методической погрешности Задача: К зажимам элементов с Е = 10 В и r = 1 Ом подсоединен вольтметр с сопротивлением R = 100 Ом. 1. Определите показания вольтметра и вычислите абсолютную погрешность его показания, обусловленную тем, что вольтметр имеет не бесконечно большое сопротивление. 2. Классифицируйте измерение и погрешность. Решение: Абсолютная погрешность определяется как разность между показаниями прибора и действительным значением измеряемой величины, то есть, в данном случае, как разность между показанием вольтметра и ЭДС элемента: ∆ = Uв – Е. Показание вольтметра: Е U в I Rв . r Rв Rвн V Rв Е ∆ = 9,9 – 10 = –0,1 В. Измерение прямое и абсолютное, непосредственной оценки, так как со шкалы вольтметра сняты показания, выраженные в единицах измеряемой величины; однократные, так как результат получен путем одного измерения; статическое, так как ЭДС в процессе измерения не изменялась. Погрешность систематическая и методическая. Задача: В цепь с сопротивлением R = 49 Ом и источником тока с Е = 10 В и Rвн = 1 Ом включен амперметр сопротивлением RI = 1 Ом. 1. Определите показания амперметра I и вычислите относительную погрешность его показания, возникающую из-за того, что амперметр имеет определенное сопротивление, отличное от нуля. 2. Классифицируйте погрешность. Е Rвн R Решение: Действительное значение тока: E 10 I 0,2 А . А R Rвн 49 1 RA Показания амперметра: E 10 IА 0,19 А . R Rвн RА 49 1 1 Абсолютная погрешность равна: ∆ = 0,19 – 0,2 = –0,01 А. Относительная погрешность равна: 0,01 100 % 100 5 % . I 0,2 205 Погрешность – относительная, систематическая методическая, так как возникает из-за вынужденных теоретических допущений, известных при создании прибора. Отклонение RА от номинала при изготовлении прибора может дать также систематическую погрешность, но уже инструментальную. Поверка средств измерений Задача: При проверке технического амперметра на 5 А класса точности 1,5 с помощью образцового амперметра получены следующие результаты. Показания приборов образцового амперметра I, A технического амперметра Iи, А ход вверх ход вниз 0 1 2 3 4 5 0 1,05 1,95 3 4,05 5,05 0 1 2,0 3,05 4,05 5,05 Определите абсолютные, относительные, приведенные погрешности, поправки и вариацию. Сделайте заключение о результатах проверки. Решение: 1. Абсолютная погрешность рассчитывается как разность между показаниями технического и образцового амперметров для каждой отметки шкалы: ∆ прямого хода ∆ = Iн – I’. ∆1 = 1 – 1,05 = –0,05 А. ∆2 = 2 – 1,95 = 0,05 А. ∆3 = 3 – 3 = 0 А. ∆4 = 4 – 4,05 = –0,05 А. ∆5 = 5 – 5,05 = –0,05 А. ∆ обратного хода ∆ = Iн – I”. ∆1 = 1 – 1= 0 А. ∆2 = 2 – 2,0 = 0 А. ∆3 = 3 – 3,05 = –0,05 А. ∆4 = 4 – 4,05 = –0,05 А. ∆5 = 5 – 5,05 = –0,05 А. 2. Относительная погрешность – это отношение абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой величины, выраженное в процентах. 100 % . , I 0,05 1 100 4,8 % . 1,05 0,05 2 100 2,6 % . 1,95 206 0,05 100 1,7 % . 3 0,05 4 100 1,2 % . 4,05 0,05 5 100 1 % . 5,05 3. Приведенная погрешность – это отношение это отношение абсолютной погрешности к нормирующему значению, выраженное в процентах. В качестве нормирующего значения принимается диапазон измерения прибора. 100 % , xN где xN – диапазон измерения прибора: x N I И max I И min 5 A . 3 0,05 100 % 1 . 5 0,05 2 100 % 1 . 5 0 3 100 % 0 . 5 0,05 4 100 % 1 . 5 0,05 5 100 % 1 . 5 4. Вариация – это разность между показаниями прибора при прямом и обратном ходе: I ' I " . 1 1,05 1 0,05 А . 2 1,95 2,0 0,05 А . 3 3 3,05 0,05 А . 4 4,05 4,05 0 А . 5 5,05 5,05 0 А . Приведенное значение вариации рассчитываем для максимального значения вариа- 1 ции: 0,05 100 % 1 . xN 5 5. Поправка к показаниям равна абсолютной погрешности с обратным знаком: n = –∆. Заключение: так как приведенная погрешность и приведенное значение вариации ни на одной поверяемой отметке прибора не превышают класс точности, то прибор годен для эксплуатации. V 100 % V 207 Задача: При поверке амперметра класса точности 0,5 с помощью компенсатора постоянного тока использовалось образцовое сопротивление Rо = 0,2 Ом и были получены следующие результаты. Показания амперметра, Iи, А 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Значения Uо, В 0,11 0,19 0,30 0,39 0,49 Действительный ток I, А 0,55 0,95 1,5 1,95 2,45 Погрешности Поправка абсолютная ∆ I, А приведенная γ, % п, А –0,05 –0,05 0 0,05 0,05 2,0 2,0 0 2 2 0,05 0,05 0 –0,05 –0,052 Заполнить остальные столбцы таблицы. Дать заключение о результатах поверки. Решение: Схема измерения приведена на рисунке. I R0 A V Действительное значение тока рассчитывается по закону Ома, для всех показаний амперметра: U 0,11 I1 0,55 А и т. д. I 0 0,2 R Абсолютная погрешность считается по формуле: ∆ = Iи – I 0,5 0,55 0,05 А и т. д. для всех показаний амперметра. Приведенная погрешность считается по формуле: 100 % , xN xN – диапазон измерения прибора 0,05 1 100 % 2 и т. д. для всех показаний амперметра. 2,5 Поправка к показаниям: n = –∆. Заключение: так как приведенная погрешность на поверяемых отметках прибора 0,5; 1,0; 2,0 и 2,5 А превышают класс точности, то прибор не годен для эксплуатации. 208 Классы точности средств измерения Задача: Отсчет по шкале прибора с пределами измерений 0–50 А и равномерной шкалой составил 25 А. Пренебрегая другими видами погрешностей измерения, оценить пределы допускаемой абсолютной погрешности этого отсчета при использовании различных СИ класса точности: 0,02/0,01, 0,5 и 0,5. Решение: 1. Для СИ класса точности 0,02/0,01: xk 1 . х c d Так как х = 25; хk = 50; с = 0,02; d = 0,01; δ – в %, то 50 1 0,03 , 25 0,02 0,01 x 0,03 25 0,0075 A . 100 100 2. Для СИ класса точности 0,5 ; ∆ = ±0,01·25·0,5 = ±0,185 А. х 3. Для СИ класса точности 0,5: ; здесь хN = 50, тогда хN ∆ = ±0,01·50·0,5 = ±0,25 А. Оценка случайных составляющих погрешности Прямые многократные равноточные измерения Задача: Определите 99%-й доверительный интервал для температуры термоэлектрического термометра типа К (хромель – алюмель), если при измерении были получены следующие результаты: 31,56; 31,82; 31,73; 31,68; 31,49; 31,73; 31,74; 31,72 мВ. Предполагается, что термо-ЭДС – случайная величина, распределенная по закону Стьюдента. Решение: Так как в выборке всего 8 результатов, то проверить ее соответствие нормальному закону распределения невозможно, следовательно: 1. Рассчитать оценку математического ожидания: n U i 31,56 31,82 31,73 31,68 31,49 31,73 31,74 31,72 ~ i 1 U 31,68 мВ. n 8 2. Рассчитать оценку среднего квадратического отклонения: U U n ~ 2 i i 1 n 1 (31,68 31,56) 2 (31,68 31,82) 2 (31,68 31,73) 2 (31,68 31,68) 2 7 209 (31,68 31,49) 2 (31,68 31,73) 2 (31,68 31,74) 2 (31,68 31,72) 2 0,0803 0,0115 мВ. 7 7 Рассчитать оценку среднего квадратического отклонения результата измерения: 0,0115 ~ S (U ) 0,004 мВ. n 8 3. По таблице для р = 0,99 и числа степеней свободы k = n – 1 выбираем коэффициент Стьюдента: t j 5,96 . 4. Рассчитать доверительный интервал: ~ S (U ) t j 0,004 5,96 0,0238 мВ. 5. Результат измерения: ~ U (31,68 0,0238) мВ р = 99 %. Задача: По результатам 25 наблюдений был определен доверительный интервал отклонений измеряемого давления от наиболее вероятного его значения с доверительной вероятностью р = 0,95; I0,95 = 23,8424,37 МПа. Определите доверительный интервал с доверительной вероятностью 0,99, полагая, что отклонения давления распределены по закону Стьюдента. Решение: 1. Находим оценку математического ожидания ~ 24,37 23,84 А 24,1 МПа. 2 2. Находим доверительные границы результата. ~ 3. S ( А) t . t = 2,064 находим по таблицам для k = 25 – 1 и p = 0,95 4. Находим t = 2,797 для k = 25 – 1 и p = 0,99 ~ И записываем результат: А ' . S ( A) t ' S ( A) t Косвенные измерения Задача: При градуировке расходомера в конечной точке шкалы объемным методом были получены следующие значения времени наполнения бака t: i 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ti 97,5 94,8 94,7 95,2 94,9 95,3 91,1 95,2 95,3 Предполагается, что эти значения времени распределены по закону Стьюдента. Объем бака V = 507 0,1 л. Каким образом оценить значение расхода в конечной точке шкалы расходомера и как определить погрешность этой оценки, если систематическая погрешность измерения времени отсутствует. Решение: Найдем оценку наиболее вероятного значения времени наполнения бака: 1 n ~ х xi , n i 1 94 ,5 94 ,8 94 ,7 35,2 94 ,9 95,3 95,1 95,2 95,3 95 с . 9 210 Оценка среднего квадратического отклонения измерения времени: n ~ 2 i i 1 0,825 с . n 1 Расход определяется по формуле Q V/ . Измерения объема V и времени являются взаимонезависимыми, поэтому погрешность градуировки расходомера вычисляется как результат косвенного измерения по формуле: Q Q 0,1 507 V 0,32 0,018 л/с. V 95 952 ~ ~~ Оценка расхода в конечной точке шкалы Q V/ 5,34 л/с. Ответ: значение расхода в конечной точке шкалы (5,34 0,018) л/с. 2 2 2 2 Задача: Погрешность измерения давления пара распределена по нормальному закону и состоит из систематической и случайной составляющих. Систематическая погрешность вызвана давлением столба жидкости в импульсной линии и завышает показания на 0,12 МПа. Среднее квадратическое отклонение случайной составляющей равно 0,08 МПа. Найдите вероятность того, что отклонение измеренного значения от действительного не превышает по абсолютному значению 0,15 МПа. Решение: Для решения задачи удобнее представить суммарную погрешность в виде случайной величины, распределенной по нормальному закону со средним квадратическим отклонением = 0,08 МПа и математическим ожиданием х0 = 0,12 МПа. Вероятность нахождения погрешности в интервале н в можно оценить с помощью нормальной функции распределения или: х0 х0 Вер( н в ) = Ф * в Ф* н ; Вер((–0,15 < ∆ < +0,15) = Ф* ((0,15 – 0,12) / 0,08) – Ф*((–0,15 – 0,12) / 0,08) = 0,64615 – – 0,00035 = 0,6458. Таким образом, вероятность того, что отклонение измеренного значения от действительного не превышает 0,15 МПа, составляет 64,58 %. Исключение результатов измерений, содержащих грубые погрешности Задача: При диагностировании топливной системы автомобиля результаты пяти измерений расхода топлива составили: 22, 24, 26, 28, 30 л на 100 км. Последний результат вызывает сомнение. Проверить по критерию Романовского, не является ли он промахом. Решение: Найдем среднее арифметическое значение расхода топлива и его СКО без учета последнего результата, т. е. для четырех измерений. Они соответственно равны 25 и 2,6 л на 100 км. Поскольку n < 20, то, по критерию Романовского, при уровне значимости 0,01 и n = 4 табличный коэффициент = 1,73. Вычисленное для последнего, пятого измерения 25 30 / 2,6 1,92 1,73 . Критерий Романовского свидетельствует о необходимости отбрасывания последнего результата измерения. 211 Суммирование погрешностей Задача: Напряжение источника ЭДС Ux с внутренним сопротивлением Ri = 60 ± 10 Ом измерено вольтметром класса точности 0,5. Cопротивление вольтметра RV = 5 кОм и известно с погрешностью ± 0,5 %. Показание вольтметра UV = 12,35 В. Найти поправку, которую нужно внести в показание прибора для определения действительного значения напряжения источника ЭДС. Решение: Показания вольтметра соответствуют падению напряжения на нем: UV RV Ux. Ri RV Относительная систематическая методическая погрешность, обусловленная ограниченным значением сопротивления RV, U Ux 100 Ri 100 60 с V 100 % 1,2 % . Ux Ri RV 5060 Поправка равна абсолютной погрешности, взятой с обратным знаком: ∆с = 0,012·12,35 = = 0,146 В. Погрешность полученного значения поправки определяется погрешностью, с которой известно сопротивление Ri. Ее предельное значение составит 10/60 = 0,167. Погрешностью из-за неточности оценки RV, равной 0,005, можно пренебречь. Следовательно, погрешность определения поправки ∆ = ± 0,167·0,146 0,03 В. Таким образом, поправка, которую необходимо ввести в показание вольтметра с учетом округления, ∆U = +0,15 В. Тогда исправленное значение U'x = 12,35 + 0,15 = 12,50 В. Этот результат имеет определенную погрешность, в том числе неисключенный остаток систематической погрешности ∆ = ±0,03 или δ = ±0,24 % из-за потребления некоторой мощности вольтметра. Задача: Оценить погрешность результата однократного измерения напряжения U = 0,9 В на сопротивлении R = 4 Ом, выполненного вольтметром класса точности 0,5 с верхним пределом измерения Uп = 1,5 В и внутренним сопротивлением RV = 1000 Ом. Известно, что дополнительные погрешности показаний СИ из-за магнитного поля и температуры не превышают соответственно δип = ±0,75 % и δТ = ±0,3 % допускаемой предельной погрешности. Решение: 1. Предел допускаемой относительной погрешности вольтметра на отметке 0,9 В составляет: U 1,5 х си 0,5 0,83 % . U 0,9 2. При подсоединении вольтметра исходное напряжение Ux рисунок изменится из-за наличия RV и составит: UV RV Ux. R RV Тогда методическая погрешность, обусловленная конечным значением RV, в относительной форме составит: U Ux R 4 100 М V 100 100 0,4 % . Ux R RV 1004 212 Rv V Uv R Ux Схема измерения напряжения 3. Данная методическая погрешность является систематической составляющей погрешности измерения и должна быть внесена в результат в виде поправки q = –δм = 0,4 % или в абсолютной форме на отметке 0,9 В: Uq а 0,9 0,4 10 2 0,004 В . 100 Тогда результат измерения с учетом поправки будет равен: х = 0,900 + 0,004 = 0,904 В. 4. Поскольку основная и дополнительные погрешности заданы своими граничными значениями, то они могут рассматриваться как неисключенные систематические. По формуле K m , где – граница i-й составляющей НСП; K – коэффициент, определяемый i 1 2 i i принятой доверительной вероятностью P, при доверительной вероятности P = 0,95 доверительная граница неисключенной систематической составляющей будет с 1,1 0,832 0,752 0,32 1,1 1,16 1,3% , а в абсолютной форме сU 1,3 0,9 10-2 0,012 В. 100 5. Ввиду того что ∆ > q, окончательный результат измерения записывается в виде x 0,90B; 0,01B; 213 P 0,95 . СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ Вайсбанд М. Д., Проненко В. И. Техника выполнения метрологических работ. – Киев : Техника, 1986. – 2 экз. 2. Гиссин В. И. Управление качеством продукции : учебное пособие. – Ростов н/Д : Феникс, 2000. – 1 экз. 3. Димов Ю. В. Метрология, стандартизация и сертификация : учебник. – Иркутск : АГТА, 2002. – 48 экз. 4. Земельман М. А. Метрологические основы технических измерений. – М. : Изд-во стандартов, 1991. – 3 экз. 5. Крылова Г. Д. Основы стандартизации, сертификации, метрологии. – М. : Аудит, ЮНИТИ, 1998. – 1 экз., 2001. – 102 экз. 6. Лифиц И. М. Основы стандартизации, метрологии и сертификации : учебник. – М. : Юрайт, 2000. – 3 экз., 2001. – 5 экз. 7. Лифиц И. М. Стандартизация, метрология и сертификация : учебник. – 4-е изд., перераб. и доп. – М. : Юрайт, 2004. – 1 экз. (гриф МО). 8. Маркин Н. С., Ершов В. С. Метрология. Введение в специальность. – М. : Изд-во стандартов, 1991. – 3 экз. 9. Назаров Н. Г. Метрология. Основные понятия и математические модели : учебное пособие. – М. : Высшая школа, 2002. – 10 экз. 10. Никифоров А. Д. Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения. – М. : Высшая школа, 2000. – 11 экз. 11. Раннев Г. Г., Тарасенко А. П. Методы и средства измерений : учебник. – М. : Академия, 2003. – 16 экз. 12. Сергеев А. Г., Крохин В. В. Метрология : учебное пособие. – М. : Логос, 2000. – 11 экз., 2001. – 2 экз. 13. Сергеев А. Г., Латышев М. В. Сертификация. – М. : Логос, 2000. – 2 экз., 2001. – 100 экз. 14. Сергеев А. Г., Латышев М. В., Терегеря В. В. Метрология, стандартизация, сертификация : учебное пособие. – М. : Логос, 2003. – 536 с. : ил. 15. Тартаковский Д. Ф., Ястребов А. С. Метрология, стандартизация и технические средства измерений : учебное пособие. – М. : Высшая школа, 2001. – 29 экз. 16. Шабалин С. А. Прикладная метрология в вопросах и ответах. – М. : Изд-во стандартов, 1990. – 1 экз. 17. Яблонский О. П., Иванова В. А. Основы стандартизации, метрологии, сертификации : учебник. – Ростов н/Д : Феникс, 2004. – 2 экз. 1. 214
