Тема 3. ОСНОВИ МЕТРОЛОГІЇ

3.1. Основні ланки контролю якості будівельної продукції

3.2. Історія створення метрологічної системи

3.3. Основні визначення метрології

3.4. Еталони і системи одиниць

3.5.Технічні вимірювання як засіб отримання метрологічної інформації

3.6. Вимірювальна техніка та її роль у забезпеченні процесів виробництва

3.7. Державна система забезпечення єдності вимірів

3.1. Основні ланки контролю якості будівельної продукції

Стандартизація, метрологія і вимірювальна техніка - три основні ланки, рівень і темпи розвитку яких найбільше впливають на якість всієї промислової продукції.

Стандартизація - законодавча основа якості: стандарти законодавче закріплюють комплекс кількісних характеристик, що забезпечують потрібний нині й у майбутньому рівень якості.

Метрологія - наукова основа контролю якості. Прикладні дисципліни цієї науки дають змогу нормувати кількісні характеристики якості продукції і процесів, визначати ступінь точності й надійності вимірювальної інформації, необхідної для поелементного контролю якості продукції на всіх етапах її проектування, виготовлення та експлуатації.

Вимірювальна техніка - одна із складових матеріально-технічної бази забезпечення якості продукції. Вона становить сукупність методів і засобів вимірювання, які дають повну й достовірну інформацію про властивості речовин, матеріалів і виробів, про характеристики технологічних процесів. Вимірювальна техніка базується на єдності мір і одноманітності вимірювання, однозначно визначає рівень якості й технічні можливості її підвищення.

Природно, що рівні розвитку стандартизації, метрології й вимірювальної техніки - взаємопов'язані й взаємозумовлені. Високий рівень стандартизації - з погляду не тільки кількості, а й практичної цінності стандартів - немислимий без успішного розвитку метрологічної науки, без удосконалення техніки вимірювання. Водночас стандартизація в галузі метрології та вимірювальної справи сприяє підвищенню точності й надійності всіх вимірювань, що проводяться в державі, підвищенню достовірності вимірювальної інформації.

3.2. Історія створення метрологічної системи

Тривалий час одиниці для вимірювання вибирали довільно, і це зумовило їх різноманітність.

Окремі держави мали свої особливі одиниці, крім того, кожна держава користувалася різними одиницями. Інженер Н. І. Лапін у своєму довіднику для будівельників наводить 100 різних футів, 46 різних миль, 120 різних фунтів тощо, що існували в Росії до жовтневої революції.

З розвитком промисловості й торгівлі незручності різнобою в одиницях ставали дедалі відчутнішими. Прогрес природничих і технічних наук вимагав установлення єдиної раціональної мови одиниць.

Поступово окреслювалася й міцніла ідея створення такої системи мір, яка б відповідала певним вимогам, зокрема:

a) система мір повинна бути єдиною й загальною;

b) одиниці повинні мати точно визначені розміри;

c) повинні існувати їх еталони, які не змінюються в часі;

d) одиниці різних величин повинні бути пов'язані між собою певним співвідношенням;

e) для кожної величини має існувати тільки одна одиниця;

f) кратні й часткові одиниці повинні перебувати у відношеннях, що дорівнюють основі системи, тобто степеню 10.

Ідея побудови всієї системи на десятковій основі належить французькому астроному Г. Мутону, який жив у XVII ст.

8 травня 1790 р. Національні збори Франції прийняли Декрет про реформу системи мір і доручили Паризькій академії наук провести необхідні підготовчі роботи з заснування метричної системи. 22 червня 1799 р. ці роботи було завершено. Прототипи метра і кілограма передано законодавчому корпусу, а потім - на збереження Національному архіву Франції. Відтоді ці прототипи іменуються "архівними".

У першій половині XIX ст. метрична система мір почала впроваджуватися у Франції, а невдовзі й у інших країнах.

Міжнародній уніфікації одиниць сприяли всесвітні виставки, де різновидність мір ускладнювала порівняння характеристик експонатів. На Паризькій виставці 1867 р. було утворено Комітет мір, ваги і монет, членом якого став російський академік Б. С. Якобі.

Вирішальний вплив на весь подальший розвиток метричної системи мала доповідь, написана в 1869 р. російськими академіками О. В. Струве, І.І. Вільдом і Б.С. Якобі й надіслана від імені Петербурзької академії наук в Паризьку академію наук. У доповіді наголошувалося на необхідності виготовлення нових міжнародних прототипів метра і кілограма, якомога ближчих до "архівних" прототипів а також створення у достатній кількості однотипних копій для розподілу між зацікавленими країнами. Роботу пропонувалося доручити комісії, яка б складалася з представників різних держав.

Пропозицію було підтримано Паризькою академією наук, і французький уряд звернувся до всіх країн з проханням надіслати представників до Міжнародної метричної комісії для розгляду проблеми виготовлення метричних еталонів. Комісія збиралася в 1870 і 1872 pp. і прийняла важливі рішення.

Новий прототип метра повинен бути штриховим еталоном і дорівнювати довжині метра Архіву, тобто відстані між двома штрихами. Еталон повинен виготовлятися із сплаву платини (90 %) та іридію (10 %) й мати Х-подібну форму.

Новий прототип кілограма має бути рівний масі, яка б найточніше відповідала масі кілограма Архіву, бути виготовлений із того самого сплаву платини та іридію і мати форму прямого, з трохи заокругленими ребрами, циліндра, висота якого дорівнювала б діаметру основи (39 мм).

З метою надання метричній системі дійсно міжнародного характеру і забезпечення одноманітності мір в усіх країнах, що її прийняли, необхідно було виготовити і точно звірити один з одним стільки тотожних еталонів метра і кілограма, скільки замовлять зацікавлені країни. Один із еталонів метра і один із еталонів кілограма, найбільш близьких до архівних, слід було прийняти за міжнародні прототипи, а виражені через них решту еталонів - розподілити за жеребом між зацікавленими країнами.

1 березня 1875 р. у Парижі зібралася конференція в складі представників 20 держав.

20 травня 1875 р. було підписано Конвенцію і засновано Міжнародне бюро мір і ваги (МБМВ). Конвенцію підписали повноважні представники 17 держав, у тому числі й Росії.

Згідно з Конвенцією, МБМВ повинно діяти під управлінням Міжнародного комітету мір і ваги (МКМВ) у складі 14 членів - представників різних держав-учасниць. МКМВ підпорядкований в свою чергу Генеральній конференції з мір і ваги (ГКМВ), яка збирається раз на шість років за участю повноважних представників усіх держав-учасниць, кожна з яких має один вирішальний голос.

Виготовлені 31 еталон метра і 34 еталони кілограма було розподілено за жеребом між державами-учасницями. Росії дістались еталони метра № 11 і 28, еталони кілограма № 12 і 26, з яких декретом від 11 вересня 1918 р. еталон метра № 28 і еталон кілограма № 12 затверджено як державні первинні еталони.

До 1975 р. було утворено такі консультативні комітети:

ККЕ - Консультативний комітет з електрики;

ККФР - Консультативний комітет з фотометрії і радіометрії;

ККТ - Консультативний комітет з термометрії;

ККВМ - Консультативний комітет з визначення метра;

ККВС - Консультативний комітет з визначення секунди;

ККЕІВ Консультативний комітет з еталонів для вимірювання іонізуючих випромінювань;

МАГАТЕ - Міжнародне агентство з атомної енергії;

ККО - Консультативний комітет з одиниць.

За станом на 1 січня 1975 p. Конвенцію підписали 43 держави. Зараз метрична система застосовується дедалі ширше, особливо після утворення Міжнародної системи одиниць, яка є сучасною формою метричної системи мір і сприяє міжнародному співробітництву і загальному науково-технічному розвитку.

Велика заслуга в цьому МКМВ і його консультативних комітетів, які координують роботу з метрології і готують рішення для затвердження Генеральними конференціями.

Великий внесок в розвиток метрології зробив російський вчений Д. І. Менделєєв - засновник наукової метрології, який створив в Росії першу наукову установу з метрології - Головну палату мір і ваги. У 1899 р. в Росії було прийнято закон про міри і ваги, який вперше дав змогу факультативно застосовувати міжнародну метричну систему мір (використання метра і кілограма поряд з основними традиційними мірами - аршином і фунтом).

За пропозицією Д. І. Менделєєва, у 1894 р. було виготовлено з платино-іридієвого сплаву еталон міри довжини у вигляді тригранної призми. На одній нанесено аршин (0,7112 м), на другій - ярд (0,914 м), а на третій - метр, всі з відповідними поділками — всього 253 лінії.

3.3. Основні визначення метрології

Метрологія - наука про вимірювання, методи і засоби забезпечення їх єдності та досягнення потрібної точності.

До основних питань метрології належать: загальна теорія вимірювань, одиниці фізичних величин та їх системи; методи і засоби вимірювань; методи визначення точності вимірювань; основи забезпечення єдності вимірювань і одноманітності засобів вимірювань; еталони і зразкові засоби вимірювань; методи передачі розмірів одиниць від еталонів або зразкових засобів вимірювань робочим засобам вимірювань.

Метрологія поділяється на такі розділи:

теоретична метрологія - загальні теоретичні проблеми - теорія вимірювань, методи обробки результатів спостереження з метою оцінки їх точності, теорія величин та їх одиниць, теорія відтворення і передачі розмірів одиниць та ін.;

законодавча метрологія - розробка комплексів взаємопов'язаних і взаємозумовлених загальних правил, вимог і норм, а також інших питань, що потребують регламентації й контролю з боку держави, спрямованих на забезпечення єдності вимірювань й одноманітності засобів вимірювань;

прикладна метрологія - практичні вимірювання і забезпечення єдності вимірювань.

Технічні вимірювання є складовою частиною прикладної метрології.

Процес вимірювання характеризується з одного боку сприйманням і відображенням фізичної величини, а з іншого - нормуванням, тобто присвоєнням їй певного числового значення (розміру), яке виражається в прийнятих одиницях.

Значення величини не слід ототожнювати з розміром.

Розмір фізичної величини даного об'єкта існує реально і незалежно від того, знаємо ми його чи ні, виражаємо його в – будь-яких одиницях чи ні. Значення ж фізичної величини з'являється тільки після того, як розмір величини даного об'єкта виражено за допомогою певної одиниці.

Значення фізичної величини дістають внаслідок вимірювання або обчислення.

Метрологія - наукова основа якості. Прикладні дисципліни цієї науки дають змогу нормувати кількісні характеристики якості продукції й процесів, виявляти ступінь точності й надійності результатів вимірювань, необхідних для поелементного контролю якості продукції на всіх етапах її проектування, виготовлення і експлуатації.

Вимірювальна техніка - одна із складових матеріально-технічної бази забезпечення якості продукції. Вона становить сукупність методів і засобів вимірювань, яка дає повну й достовірну інформацію про властивості речовин, матеріалів і виробів, про характеристики технологічних процесів. Базуючись на єдності мір і одноманітності вимірювань, за допомогою вимірювальної техніки можна однозначно визначити рівень якості та технічні можливості її підвищення.

Процес вимірювання, в результаті якого дістають дані про значення фізичних величин, є процесом інформаційним. Характер впливу цієї інформації визначається її точністю й достовірністю.

Основна характеристика одноманітності засобів вимірювань - відповідність їх точності встановленим нормам. Досягнення цього тісно пов'язане з важливою їхньою властивістю — надійністю. Відповідність показників встановленим нормам залежить від досконалості методик і періодичності перевірки та випробування засобів вимірювання.

Під метрологічною надійністю засобів вимірювань розуміють їхню властивість зберігати на заданому рівні свої показники протягом потрібного часу.

До технічних вимірювань, пов'язаних з точністю і взаємозамінністю в будівництві, поки що відносять лише лінійні та кутові вимірювання. Результати вимірювань виражають у прийнятих одиницях.

3.4. Еталони і системи одиниць

В основу сукупності одиниць, що встановлена ГОСТ 8.417-81, покладено одиниці Міжнародної системи одиниць (СІ), яка складається з 7 основних одиниць, 2 додаткових та 17 похідних. Основні одиниці: метр - м (довжина), кілограм - кг (маса), секунда - с (час), ампер -А (сила електричного струму), кельвін - К (термодинамічна температура), моль - моль (кількість речовини), кандела - кд (сила світла); додаткові одиниці: радіан - рад (плоский кут), стерадіан - ср (тілесний кут).

Кратні одиниці й частки одиниць утворюються множенням їх на число 10 у відповідному степені.

Вибір десяткової кратної або частки одиниці від одиниць СІ зумовлений насамперед зручністю застосування. Отже, кратні і частки одиниці вибирають таким чином, щоб числові значення величин були в діапазоні від 0,1 до 1000.

Для відтворення і збереження одиниць фізичних величин застосовують еталони, офіційно затверджені як вихідні для держави.

Передача одиниць величин від еталона до робочих засобів вимірювань здійснюється за ступенями зразкових мір і вимірювальних приладів. Точність указаних мір знижується від ступеня до ступеня в два-чотири рази.

3.5.Технічні вимірювання як засіб отримання метрологічної інформації

Якість виробів здебільшого не можна визначати без застосування вимірювальної техніки. Вироби тільки тоді правильно виготовлені, коли для визначення їхніх параметрів, заданих стандартами або розрахунками, використовують вимірювальні прилади, що точно передають одиниці вимірювань, відградуйовані та своєчасно перевірені.

ДСТУ 2681-94 встановлює терміни і визначення основних понять метрології.

Розглянемо коротко терміни, які широко застосовують у практиці технічних вимірювань.

Міра - це засіб вимірювання, що призначений для відтворення фізичної величини заданого розміру, наприклад, плоскопаралельна кінцева міра довжини, гиря - міра маси тощо. Є два види мір - однозначна і багатозначна. Однозначна міра відтворює фізичну величину одного розміру (гиря - 1 кг), багатозначна - ряд однойменних величин різного розміру (лінійка з міліметровими поділками). Міри мають номінальне і дійсне значення: номінальне - це значення величини, вказане на мірі або приписане їй (наприклад, кілограмова гиря має номінальне значення 1 кг); дійсне - це те, яке відтворюється мірою або вказане в атестаті.

Набір мір - це спеціально дібраний комплект мір, який застосовується в різних комбінаціях з метою відтворення ряду однойменних величин різного розміру.

Універсальні вимірювальні засоби - це вимірювальні пристрої, які оснащені шкалами і використовуються для визначення різних значень вимірюваної величини. Вони поділяються на такі групи:

1) штрихові інструменти з ноніусом (штангенциркуль, штангенрейсмус, штангенглибиномір, універсальний кутомір тощо);

2) мікрометричні інструменти (мікрометр, мікрометричний нутромір, мікрометричний глибиномір, мікрометричний різьбомір);

3) важільно-механічні прилади (індикатор годинникового типу, індикатор-нутромір, важільна скоба, важільний мікрометр тощо);

4) оптико-механічні прилади (вертикальний і горизонтальний оптиметри, ультраоптиметри, вимірювальні машини);

5) проекційні прилади (універсальний та інструментальний мікроскопи, подвійний мікроскоп Лінника, проектори);

6) інтерференційні прилади (інтерферометри);

7) пневматичні прилади (пневматичний поплавковий прилад, пневматичний прилад з водяним манометром);

8) електричні прилади (індуктивні, електроконтактні, ємнісні);

9) лінійки, компаровані рулетки, сталеві рулетки, щупи;

10) нівеліри, теодоліти, оптичні струни, оптичні плоскоміри, висотоміри;

11) засоби спеціального виготовлення: контрольні рейки, висок-рейка, висок з демпфером, штанговий висок;

12) кутоміри, калібри, шаблони тощо.

Міри і вимірювальні прилади, що застосовуються в будівництві й виробництві, залежно від їх призначення підлягають перевірці в зазначені строки. Від дотримання цих строків залежить єдність умов вимірювань у державі. Стан вимірювання, при якому його результати виражені в прийнятих одиницях і похибки вимірювання відомі із заданою ймовірністю, називається єдністю вимірювання.

Одноманітність засобів вимірювань характеризується тим, що останні проградуйовані в прийнятих одиницях і їхні метрологічні властивості відповідають нормам.

Перевірка - це сукупність дій, які проводяться з метою оцінки похибок мір і вимірювальних приладів. Перевірка мір і вимірювальних приладів може бути первинною, періодичною, позачерговою, інспекційною, поелементною, комплексною і незалежною.

Слід завжди пам'ятати, що перевірці підлягають самі міри і вимірювальні прилади, а не окремі їхні властивості, бо перевірка - це визначення похибок, а похибки притаманні лише мірам або приладам, а не їх властивостям.

Звіряння мір або вимірювальних приладів - це різновид перевірки, що здійснює пряме порівняння двох мір або двох вимірювальних приладів.

У нашій державі нагляд за засобами вимірювань здійснюється державною і відомчими метрологічними службами.

Метод вимірювання - це широке поняття, що вміщує сукупність принципів і засобів вимірювань, характеристики вимірювальних приладів і установчих мір, температурний режим вимірювання, умови відліку та інші чинники, які супроводжують вимірювання будь-якої деталі, елемента, виробу.

У технічних вимірюваннях використовують такі методи: безпосередньої оцінки, порівняння з мірою, протиставлення, диференціальний, нульовий, заміщення, а також збіжності.

Метод безпосередньої оцінки - це метод вимірювання, при якому значення величини визначають безпосередньо на відліковому пристрої вимірювального приладу прямої дії. До таких приладів належать амперметри, вольтметри, ватметри, ватроміри, тягоміри, динамометри, манометри, циферблатні терези, лінійки, рулетки, кутоміри та ін.

Метод порівняння з мірою полягає в тому, що вимірювану величину порівнюють безпосередньо з мірою даної величини, наприклад, вимірювання маси на важільних терезах зрівноважуванням гирями.

Метод протиставлення - вимірювана величина і величина, що відтворюється мірою, одночасно впливають на прилад порівняння, за допомогою якого встановлюється співвідношення між цими величинами (наприклад, вимірювання маси на рівноплечих терезах, коли вимірювану масу і зрівноважуючи її гирю розміщують на двох чашах терезів).

Диференціальний (елементний) метод - це метод порівняння з мірою, в якому на вимірювальний прилад впливає різниця значень вимірюваної і відомої, що відтворюється мірою величин (наприклад, перевірку мір довжини проводять порівнянням з еталонною мірою на компараторі).

Нульовий метод - результуючий ефект впливу величин на прилад порівняння доводять до нуля. Зважування вантажу на терезах - характерний приклад нульового методу вимірювання.

Метод заміщення - вимірювану величину заміняють відомою величиною, що відтворюється мірою, наприклад, зважування, при якому на одну і ту саму чашу терезів кладуть по черзі вимірювану масу і гирі.

Метод збіжності - це метод вирівнювання з мірою, при якому різницю між вимірюваною величиною і величиною, що відтворюється мірою, визначають за збіжністю відліків на шкалах або періодичністю сигналів.

3.6. Вимірювальна техніка та її роль у забезпеченні процесів виробництва

Велику роль у підвищенні якості виробів відіграє вимірювальна техніка. Майже 80 % усіх вимірювань становлять лінійні й кутові вимірювання.

Зростання продуктивності складальних операцій і поліпшення якості виготовлення виробів потребують невпинного підвищення точності засобів для лінійних вимірювань. При цьому для сучасного виробництва характерно використання вимірювальних приладів в умовах цеху на кожному робочому місці, що, в свою чергу, потребує підвищення їх надійності, скорочення строків створення і освоєння та значного збільшення випуску нових приладів.

Останнім часом вітчизняною промисловістю і закордонними фірмами випущено багато нових типів приладів і перетворювачів для лінійних вимірювань різної номенклатури. Прилади мають різні принципи дії, конструктивні рішення та ціни поділок. У них використано нові фізичні принципи і способи компенсації.

Важливе значення для точності вимірювання має також підтримання у вимірювальних лабораторіях, інструментальних і механоскладальних цехах нормальної температури.

Вибір приладів для вимірювань лінійних величин визначається економічною ефективністю, розміром, матеріалом, конфігурацією, масою і твердістю поверхні вимірюваного виробу, необхідною продуктивністю і точністю.

Залежність між границею допустимої похибки вимірювання, допусками на виготовлення вибору і номінальними розмірами регламентується ГОСТ 8.051-81.

Коли на підприємстві багато мір і приладів, то утворюється відділ головного метролога, в який входять лабораторії з різними видами вимірювання.

Форми організації відомчого нагляду за вимірювальною технікою різні, але завдання метрологічних служб на будь-якій стадії їх організації однакові. Завдання й цілі відомчих метрологічних служб підприємств, а також їхня структура визначаються на кожному підприємстві окремо "Положенням про метрологічну службу підприємства".

Основне завдання відомчої метрологічної служби підприємства - здійснення організаційно-технічних заходів, що сприяють поліпшенню якості, надійності й довговічності продукції шляхом забезпечення готовності вимірювальної техніки до вимірювань і випробувань з необхідною точністю і достовірністю.

3.7. Державна система забезпечення єдності вимірів

Державна система забезпечення єдиних умов вимірювань (ДСВ) дає змогу дістати гарантовані достовірні результати вимірювань, необхідні для успішного розв'язання проблеми підвищення якості виробів, елементів, складових частин. Забезпечення достовірності результатів вимірювань - найскладніший технічний аспект проблеми якості. Його складність полягає в тому, що на відміну від конструкторських робіт і технологічних операцій результати вимірювання практично не контролюються.

ДСВ - це комплекс взаємопов'язаних правил і положень, які визначають організацію і методику метрологічної підготовки та виконання, обробки і оформлення результатів вимірювання, комплекс заходів щодо забезпечення єдності вимірювань, які здійснюються державою і відомчими метрологічними службами відповідно до цих правил і положень.

Головна мета ДСВ - забезпечити оцінку точності результатів вимірювань у державі з гарантованою ймовірністю.

Основні завдання ДСВ:

a) визначення одиниць вимірювання фізичних величин, що допускаються до застосування в нашій державі;

b) розробка раціональної системи передачі розмірів одиниць вимірювання фізичних величин від еталонів до робочих засобів вимірювань;

c) прийняття однозначної системи нормування метрологічних характеристик засобів вимірювань, а також показників точності й достовірності результатів вимірювань;

d) встановлення єдиних правил виконання всіх робіт із забезпечення єдності вимірювань (правил законодавчої метрології), своєчасної заміни і доповнення правил законодавчої метрології відповідно до змін потреб народного господарства держави, а також у зв'язку з новими науковими відкриттями і досягненнями, постійний контроль за виконанням правил законодавчої метрології в усіх галузях народного господарства держави;

e) визначення прав і обов'язків держави і відомчих органів метрологічної служби щодо забезпечення єдності вимірювання.

ДСВ встановлено дві категорії нормативних документів: 1) базові; 2) які конкретизують загальні вимоги базових нормативних документів щодо окремих областей вимірювання, вимірювальних процесів і типів засобів вимірювань.