МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ В УПРАВЛЕНИИ КАЧЕСТВОМДля того, чтобы иметь возможность согласовывать технические характеристики товаров, которые передаются от поставщиков потребителям, должна быть обеспечена возможность осуществлять сопоставление результатов измерений, проводимых той или другой стороной, а, возможно, и третьей стороной, выступающей в качестве арбитра. Для этого требуется длинная цепочка экспертиз и международных соглашений, которая разрабатывается на протяжении последних 200 лет. Эта цепочка начинается с определения фундаментальных физических единиц, стандартов физических эталонов, приборов для проведения измерений и оценки точности приборов. Именно эти вопросы рассматриваются в данном учебном разделе. ОСНОВНЫЕ ЕДИНИЦЫ СИСТЕМЫ СИ Вполне достаточно определить лишь ограниченное число основных единиц, т.к. прочие можно получить как производные. Основные единицы можно определить с помощью физических явлений или физических эталонов. Так, например, в качестве единицы меры длины ранее была принята длина стаартного метра, хранящегося в Париже, однако сейчас эта мера определяется длинной волны атомного излучения. Выбор основных единиц может быть произвольным; так, например, поскольку Скорость = Длина / Время, любая из этих трех величин может быть определена по двум другим. В действительности, в качестве основных единиц выбраны длина и время, и поэтому скорость является производной величиной. Однако, в принципе, в качестве основной единицы можно избрать и скорость (например, скорость света в вакууме), а в качестве производной единицы выбрать длину или время. Используемыми в настоящее время основными единицами системы СИ ("System International"), установленными CIPM ("Comite International des Poids et Mesures"), являются: длина, масса, время, электрический ток, температура, количество вещества и сила света. (а) Длина (метр, м) Метр это длина пути, проходимого светом в вакууме за временной интервал, равный 1/299 792 458 секунды. (б) Масса (килограмм, кг) Килограмм является единицей массы, равной массе международного эталона массы, хранимого в Севре. (в) Время (секунда, с) Секунда это продолжительность времени равная 9 192 631 770 периодов излучения, возникающего при переходе с одного энергетического уровня на другой атома редкоземельного элемента Цезий 133. (г) Электрический ток (ампер, А) Ампер это сила постоянного тока, которая при протекании по двум прямолинейным параллельным проводникам бесконечной длины и бесконечно малого круглого поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии одного метра друг от друга, вызывает взаимодействие между проводниками силой 2·10-7 Ньютона на каждый метр длины. (д) Термодинамическая температура (кельвин, К) Кельвин является единицей термодинамической температуры, равной 1/273,16 доли абсолютной температуры тройной точки воды. (е) Количество вещества (моль, мол) Молем определяется такое количеством вещества, число элементарных частиц в котором равно числу атомов, содержащихся в 0,012 кг углерода 12. При использовании моля в качестве единицы вещества должен быть определен тип элементарных частиц - атомы, молекулы, ионы, электроны или другие, или определены группы таких частиц. (ж) Сила света (кандела, кд) Канделой определяется сила света в заданном направлении от источника монохроматического излучения частотой 540·1012 Гц при излучении с мощностью 1/683 Вт в пределах угла, равного одному стерадиану. ПРОИЗВОДНЫЕ ЕДИНИЦЫ СИСТЕМЫ СИ Приняв основные единицы, мы можем ввести другие (производные) единицы. Например:
Производные единицы с их названиями и обозначениями представлены в таблице 1. Обратите внимание на то, что производные единицы могут быть выражены как через другие удобные производные единицы, так и через основные единицы. Например, энергия (джоуль) может быть обозначена как ньютонометр, либо, более формально, как квадратный метр килограмм в квадратную секунду. Таблица.1 Производные единицы системы СИ
. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ЕДИНИЦЫ В СИСТЕМЕ СИ Две единицы измерения, приводимые ниже, не используются CIPM ни в качестве основных, ни производных единиц. Их можно рассматривать как безразмерные, относя в этом случае к основным единицам измерения, либо производными от длины и площади, с помощью которых они могут быть вычислены. (а) Плоский угол (радиан, рад) Радиан определяется как плоский угол между двумя радиусами окружности, отсекающими на этой окружности дугу, длина которой равна длине радиуса. (б) Телесный угол (стерадиан, стер.) Стерадиан определяется как телесный угол, вырезающий на сфере, описанной вокруг вершины угла, поверхность, площадь которой равна квадрату радиуса сферы. ДОЛЬНЫЕ И КРАТНЫЕ ЕДИНИЦЫ (ПРЕФИКСЫ) В ряде случаев масштаб основных или производных единиц оказывается неудобным для практического использования. Длина волны или период излучения на атомном уровне имеют длину и продолжительность сильно отличающиеся от тех величин, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни. Так, например, фарада является исключительно большой электроемкостью. Поэтому была установлена система префиксов для обозначения удобных множителей или долей единиц. Вы, вероятно, уже знакомы с некоторыми из приставок, используемых для удобства представления больших значений или малых долей единиц измерения в системе СИ. Например, хотя сегодня килограмм и считается основной единицей измерения массы, в действительности основной единицей является грамм. Килограмм является одной тысячей или 103 грамм, а миллиграмм является одной тысячной долей (10-3) грамма. Полный перечень приставок представлен в таблице 2. Таблица 2. Множители и приставки в системе СИ
МЕТОДОЛОГИЯ В предшествующих разделах мы рассматривали вопросы определения единиц, на которых базируются измерения. Мы также рассмотрели различные способы определения единиц через природные или материальные стандарты для того, чтобы обеспечить согласованность измерений. Во многих случаях сложность процедур измерений делает необходимым разработку метода испытаний или технических условий для обеспечения корректности этих измерений. Такие методы могут быть определены и согласованы между поставщиком и покупателем, если только они уже не сформулированы в виде национального стандарта и находят широкое применение. Это одна из многих причин для создания отраслевых, национальных и международных стандартов. Документация на способы измерений может рассматриваться как калибровка способа. Другим средством обеспечения точности измерений является калибровка используемого оборудования. ОТ ЕДИНИЦ ИЗМЕРЕНИЯ К ЭТАЛОНАМ Основные единицы измерений создают рамки для создания универсальных стандартов измерений, и единственной единицей, которая сама по себе является, по сути, стандартом, является международный килограмм. Все другие требуют проведения измерений определенного уровня сложности, чтобы их связать с вторичным физическим эталоном или измерительным инструментом. Для воспроизводимости измерений было бы идеальным, если бы все приборы были непосредственно связаны с простым физическим эталоном. Это мог бы быть либо единственный эталонный образец, либо какая-то универсальная природная характеристика. Первое, что понадобилось бы установить, это категория имеющегося стандарта, пригодного для использования в качестве эталона. Эти стандарты можно разделить на:
Природные эталоны Мы уже видели, что большинство основных единиц измерений в системе СИ определяются природными эталонами. Физические константы, такие как расстояние, пройденное лучом света в вакууме за долю секунды, определяют эталон длины; явления, происходящие в атоме Цезия-133 определяют эталон времени, а тройная точка воды (примерно соответствующая температуре плавления льда) определяет эталон температуры. Эти эталоны могут рассматриваться как начальные (исходные) точки в цепочке калибровки инструментов для измерения длины, времени и температуры. Материальные эталоны Определить все единицы в системе СИ с помощью природных явлений оказывается практически невозможным. Так, например, единица массы определяется физическим базовым эталоном. Субъективные эталоны Это эталоны, требующие субъективного суждения человека с использованием его чувств и разума. Примером может послужить подбор красок по цвету, или производство виски (на соответствие вкусу), или оценка экзаменационных работ. Субъективных эталонов следует избегать, поскольку при их использовании трудно обеспечить достоверность. Однако, как очевидно, полностью избежать их применения не всегда возможно, а поэтому следует пытаться в максимальной степени снизить до минимума разброс в оценках. Например, процедурА для "Визуального сравнения цветов краски"ОСНОВАНА НА таких СООБРАЖЕНИЯХ как:
ЗАДАНИЕ 5 Предложите испытание и выработайте соответствующее задание для лица, которое будет его проводить на примере трех характеристик выбранного Вами изделия. ЭТАЛОНЫ Статус основных единиц Все основные единицы, за исключением килограмма, сегодня определены с помощью природных явлений. Поэтому они являются основой для "природных" стандартов, хотя, однако, знание эталона массы - килограмма при измерении силы, возникающей между двумя проводниками в случае определения единицы тока - ампера, массы углерода 12 в случае определения количества вещества - моля, а также определения единицы освещенности - канделлы, - остается актуальным. Первичные стандартные эталоны Становится очевидным (рассматривая, например, случай с единицей тока - ампером), что даже если естественные эталоны и имеются, они не обязательно отличаются особой точностью и простотой реализации. И, тем не менее, любая промышленно развитая страна имеет национальную лабораторию по эталонам (в Великобритании, например, это Физическая лаборатория в Теддингтоне, в США это NIST - Национальный институт науки и технологии). Эти национальные лаборатории хранят "первичные стандартные эталоны", которые в случае с килограммом являются производными от международного стандарта килограмма. В случае других единиц измерений в системе СИ базой для построения измерительной цепочки является приборное оборудование, способное воспроизводить условия, установленные в определении базовой единицы СИ. Например, в случае единицы времени это, так называемые, "цезиевые часы". Хотя продолжительность одного периода установленного атомного перехода составляет порядка пикосекунды, этого достаточно для поверки частотомеров и частот радиовещания и поэтому они могут быть они могут быть восприняты другими центрами. Другие измерения, например длины, могут осуществляться с использованием промежуточных эталонов и их иерархии, начинающейся с эталона (см. рис. 3). Образцы, хранимые в подобных лабораториях, часто имеют законный статус, при этом другие используемые в стране эталоны с известной точностью соотносятся с ними.
Рис.3. Иерархия эталонов Первичные эталоны являются вершиной пирамиды или иерархии стандартов, существующих и использующихся в стране (см. рис. 3). Рабочие инструменты поверяются "рабочими эталонами", которые могут использоваться для ежедневной калибровки на рабочем месте перед началом использования мерительного инструмента. В свою очередь рабочие эталоны калибруются по лабораторным или "промежуточным эталонам". Возможна целая цепочка промежуточных эталонов, проходящая через специализированные лаборатории калибровки к национальному эталону, который может сравниваться с национальными эталонами других стран. ТОЧНОСТЬ, ПРЕЦИЗИОННОСТЬ И ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ Ни одна из процедур калибровки не может быть точной, также как ни одна из основных единиц измерения не может быть определена с абсолютной точностью. Единица силы тока ампер, определение которой включает массу, длину и время, имеет максимальную точность 10-6. Поэтому для того, чтобы быть уверенным в том, что изделие имеет удовлетворительную точность, соответствующую техническим условиям, измерения должны проводиться с помощью инструментов, погрешность которых, накопленная на протяжении всей цепочки калибровки от эталона до рабочего прибора, не превышала бы заданную. Точность Если один и тот же параметр одной и той же детали измеряется многократно, результаты будут иметь разброс, однако может быть вычислено среднее значение параметра. Степень совпадения среднего и истинного (заданного) значений, характеризует точность измерений, а разница между ними является "систематической" ошибкой (погрешностью). Разброс между результатами отдельных измерений является комбинацией "систематической" ошибки и "случайных" погрешностей. Систематическую погрешность можно устранить путем регулировки, однако, случайная ошибка сохраняется. Прецизионность Вариация между результатами отдельных измерений характеризует прецизионность измерительного процесса. Вы должны осознавать, что процесс может быть точным, но непрецизионным или прецизионным, но неточным. Пример из книги Прайса "Right First Time" иллюстрирует это весьма наглядно (см. Задание для контрольной работы 6).
|
