Метрологія як наукова основа контролю якості

Метрологія як наукова основа контролю якості

Метрологія походить від грецьких слів ‘metros’(міра) і ‘logos’(наука). Міра – мається на увазі будь-яка одиниця і засіб вимірювання. За визначенням стандартів України метрологія – це наука про вимірювання, методи і засоби їх забезпечення, закони і правила єдності вимірювань і досягнення необхідної точності. Терміни і основні визначення узагальнені в ДСТУ 2681. Метрологічне забезпечення дає можливість нормувати не тільки кількісні характеристики якості продукції, але і якісні параметри всього бізнес–процесу, також метрологічне забезпечення призначено для визначення ступеня точності і надійності вимірювальної інформації, яка необхідна для кінцевого контролю якості готового виробу. Без використовування метрологічних правил і стандартів робота по забезпеченню якості вважається некоректною. Сучасна метрологія підрозділяється на 4 складових:

· теоретична метрологія (теорія вимірювань, розробка методів обробки результатів, теорія величин і одиниць їх вимірювань, теорія відтворності і передачі цих величин і їх розмірностей: 1 фунт = 454 гр.),

· історична метрологія (вивчає історію метрології в різних народів, вона встановлює номенклатуру і співвідношення заходів вимірювань),

· законодавча метрологія (охоплює комплекси взаємозв'язаних і взаємообумовлених правил і понять, а також інших питань, які вимагають регламентації і контролю з боку держави і направлені на забезпечення єдності вимірювань і одноманітності їх засобів),

· прикладна метрологія (вирішує питання практичного застосування методів і засобів вимірювань. Вони є визначеннями фізичної величини за допомогою спеціальних технічних засобів. Значення величини не можна ототожнювати з її розмірністю).

Основний закон метрології: виміряй якомога більш точно, але не точніше ніж це необхідне.

Вимірювальна техніка – одна з важливих частин матеріально – технічного забезпечення якості продукції, вона є сукупністю методів і засобів вимірювань. Єдність вимірювань характеризується тим, що результати вимірювань, виражені в прийнятих одиницях, і їх погрішності наперед відомі із заданою вірогідністю. Одноманітність засобів вимірювань досягається градуюванням і калібруванням в прийнятих одиницях вимірювання, а також відповідністю метрологічним нормам. Таким чином, грунтуючись на єдності заходів і вимірювань, за допомогою вимірювальної техніки можна однозначно визначити рівень якості продукції і технічні можливості його підвищення. Нагляд за засобами вимірювань здійснюється державними і відомчими метрологічними службами. Метрологічною основою для роботи служб служать державні стандарти по метрології.

 

Еволюція основних одиниць вимірювання

Найстародавніша одиниця довжини вважається подвійний царський лікоть (лікоть Вавілона, цар Гудеа) = 994мм. У вавілонській системі вимірювання часу одиниці вимірювання відповідали тим, що використовуються зараз (1час = 60 мін.). Первинні заходи слов'янських народів:

• проста сажень = 152 см,
• мірна сажень = 176 см,
• коса сажень = 216 см,
• лікоть простій = 38 см,
• лікоть мірний = 44 см,
• косий лікоть = 54 см,
• мала п'ядь = 19 см,
• мірна п'ядь = 23 см,
• верста = 1140 м,
• десятина = 50*50 сажнів = 1,16 га.

Вага:

• пуд = 16,38 кг
• ріс. Фунт = 409,5 гр.

Російські одиниці початку 20 століття:

• миля = 7 верст = 7468 м,
• верста = 500 саженей = 1067 м,
• сажень = 2,13 м,
• аршин = 71 см,
• фут = 120 дюймів = 304 мм,
• дюйм = 25,4 мм,
• вершок = 44,38 мм

Об'єм:

• бочка = 40 відер = 492 л,
• відро = 12,3 л,
• пляшка горілчана = 5 чарок = 0,62 л,
• чарка = 120 гр,
• пляшка винна = 0,77 л.

В даний час в світі прийнята єдина інтернаціональна система вимірювань СІ, яка складається з 7 основних одиниць, більше 110 похідних одиниць і 20 десяткових приставок, які утворюють кратні і часткові одиниці. 18 похідних одиниць мають спеціальну назву по прізвищах учених, з них 2 базові: Ампер, Кельвін.

Переваги СІ:

• універсальність – охоплює всі види вимірювань у всіх галузях науки і техніки,
• уніфікація – одиниці вимірювань придатні для будь-якої галузі науки і техніки,
• когерентність – всі похідні одиниці системи СІ виходять з рівнянь зв'язку, в яких коефіцієнти рівні 1,
• можливість відображення одиниць вимірювання з високою точністю відповідно до їх значень (виміряти напряму),
• упроханий запис рівнянь і формул в більшій частині технічних і фундаментальних наук у зв'язку з відсутністю перевідних коефіцієнтів,
• зменшення кількості однозначних і допущених одиниць вимірювання,
• єдина система отримання кратних і часткових одиниць за рахунок приставок (кН),
• забезпечення процесу навчання,
• спрощення науково - технічної співпраці.

В Україні в 1997 році були затверджено 3 стандарти: ДСТУ 3651.0, ДСТУ 3651.1, ДСТУ 3651.2, які регламентують використовування одиниць СІ. Такі одиниці СІ використані в державній класифікації систем і позначень одиниць вимірювань і обліку ДК 011-96.

 

Організація робіт по метрології в Україні

Метрологічне забезпечення складається з наукової, законодавчої, нормативної, технічної і організаційної основ. Державна метрологічна система грунтується на положеннях закону України про метрологію і метрологічну діяльність від 11.02.1998 р. Відповідно до закону державному метрологічному контролю і нагляду підлягають:

• засоби вимірювальної техніки,
• методики проведення вимірювань,
• фасований товар в упаковках.

Окрім цього державний метрологічний контроль розповсюджується на вимірювання, результати яких використовуються в наступних випадках:

• контролю якості і безпеки товарів народного споживання і продуктів харчування,
• обов'язкової сертифікації продукції,
• контролю стану навколишнього середовища,
• контролю безпеки умов праці,
• робіт по забезпеченню захисту життя і здоров'я громадян,
• обліку енергетичних і матеріальних ресурсів,
• реєстрації національних і міжнародних спортивних рекордів.

Основною метою метрологічного забезпечення є поліпшення якості і конкурентоспроможності продукції, підвищення ефективності виробництва, забезпечення захисту громадян і національної економіки від наслідків недостовірних результатів вимірювань. В державному стандарті України ДСТУ 2682-94 визначені наступні задачі метрологічного забезпечення:

• встановлення одиниць фізичних величин,
• формування системи державних еталонів і забезпечення їх функціонування для вимірювання величин з щонайвищою в Україні точністю,
• розробка методів і способів передачі розмірності одиниць фізичних величин від еталонів зразковим і робочим засобам вимірювань,
• розробка науково–методичних, правових і організаційних основ, норм і правил, які необхідні для забезпечення єдності і необхідної точності вимірювань,
• проведення державних випробувань перевірки, калібрування і державної атестації засобів вимірювань,
• сертифікація засобів вимірювань,
• розробка і атестація методик проведення вимірювань,
• створення і атестація стандартних зразків складу і властивостей речовин і матеріалів,
• проведення експертизи і атестації даних про властивості речовин і матеріалів,
• проведення метрологічної експертизи, нормативної, проектної, конструкторської і технологічної документації,
• проведення акредитації метрологічних служб, вимірювальних, випробувальних, аналітичних лабораторій на право проведення метрологічних робіт,
• організація і здійснення підготовки кадрів у сфері метрології і підвищення їх кваліфікації.

До складу державної метрологічної служби. входить:

• підрозділ центрального апарату Держстандарту України,
• управління метрологією єдиного часу і еталонних частот,
• головна організація по забезпеченню єдності вимірювань. Державне науково–виробниче об'єднання «Метрологія»
• Український метрологічний.
• Державні служби єдиного часу, еталонних частот, стандартних зразків речовин і матеріалів. довідкових даних про фізичні константи і властивості речовин.

 

Визначення початкових даних

З вищезгаданих формул видно, що показники достовірності контролю напряму пов'язані з погрішністю вимірювань. У зв'язку цих 2 величин також беруть участь допуски параметра, вхідний рівень дефектності, густина розподілу випадкових величин: відхилень, параметрів і погрішність ВТ. Початковими даними для вибору ВТ по точності є:

● допуск параметра,

● характер закону розподілу відхилень параметра,

● характер закону розподілу погрішностей ВТ,

● вхідний рівень дефектності,

● гранично – допустимі значення ризику контролю 1 і 2 роду.

Таким чином, в разі симетричного поля допуску гранично – допустиме відхилення параметра указується одним числом із знаком ±. В разі несиметричної поля допуску указуються обидва граничні відхилення При несиметричному полі допуску для розрахунку центрального значення нормального закону розподілу використовується та ж формула:

a=(+) - (-)/2

Якщо параметр заданий з одностороннім обмеженням, то центральна точка нормального закону розподілу визначається таким чином: розрахунковим/дослідним шляхом визначають середнє значення параметра по контрольованій партії, після центральну точку нормального закону розподілу перевіряють на 10 вибірках і при необхідності коректують. Якщо виявилося, що отримане значення а перевищує погрішність вимірювань більш ніж в 2 рази, то необхідно вибрати більш точне ВТ і провести всі операції знову.

Визначення МПІ

Рекомендується встановлювати МПІ, використовуючи наступний ряд чисел: 1, 1,5, 2, 3, 5, 9, 12, 18, 24, 36. Для годинника напрацювання: 1000, 2000, 5000, 10000, 20000, 50000, 100000.

 

Види перевірки ВТ

Залежно від метрологічної служби, перевірка державна і відомча, проводиться відповідно до ДСТУ 2708-94 «Повірка ЗВ, організація і порядок проведення», а також вимогами нормативно – технічної документації на виріб, що повіряється. Відомчу перевірку ВТ здійснює метрологічна служба тільки для підприємств однієї галузі, якщо відомча перевірка проводиться для підприємств інших галузей, то необхідно отримати ліцензію Державної Метрологічної Служби. Залежно від етапу роботи, перевірка буває: первинна, періодична і позачергова.

Первинній перевірці підлягають всі ВТ при випуску з виробництва, після ремонту, а також увезені з інших країн, якщо між країнами немає домовленості.

Періодичній перевірці підлягають ВТ, які знаходяться в експлуатації або призначені для передачі або прокату. В разі періодичних перевірок в обов'язковому порядку встановлюють міжперевірочні інтервали.

Позачергова перевірка ВТ проводиться до закінчення міжперевірочного інтервалу в разі підозр про невірогідність результатів.

Залежно від характеру, перевірка інспекційна або експертна. Інспекційна проводиться при здійсненні Державного метрологічного нагляду. Експертна проводиться в разі виникнення спірних питань і в ній бере участь не менше 3 фахівців – експертів.

Невід'ємною частиною організації перевірочних робіт є перевірочні схеми (кожна описана в окремому Гості). Перевірочні схеми встановлюють систему передачі розміру одиниці фізичної величини від державного еталона або початкового зразкового ВТ до робочих ВТ.

Державний еталон – це офіційно затверджений первинний еталон, який забезпечує відтворення і зберігання одиниці фізичної величини, а також передачі її розміру іншим еталонам з щонайвищою в країні точністю. Порядок розробки, твердження, реєстрації гос. еталонів регламентовані в ДСТУ 3231-95.

Вторинний еталон – еталон, якому передається розмір фізичної величини від гос. еталона.

Еталон – копія – вторинний еталон, призначений для для передачі розмірів одиниць робочим еталонам.

Робочий еталон – призначений для перевірки зразкових засобів вимірювальної техніки (ЗВТ).

Зразкові ЗВТ – міра або вимірювальний прилад, які застосовуються для перевірки робочих ВТ.

Робочі ВТ – ВТ, які застосовуються для прямих вимірювань і не пов'язані з передачею одиниць фізичних величин.

Згідно ДСТУ 3231-95 підставою для створення вторинних еталонів є:

1) необхідність збереження гос. еталонів від передчасного зносу,

2) можливість більш раціональної організації перевірочних робіт,

3) необхідність забезпечення звірки еталонів,

4) необхідність контролю за незмінністю розмірів одиниці фізичної величини, яка відтворюється гос. еталоном.

 

Перевірочні схеми

Бувають державні, відомчі і локальні перевірочні схеми. Державну перевірочну схему розробляють в якості гос. стандарту і вона не повинна суперечити міжнародним перевірочним схемам. В випадку, якщо не існує міжнародної перевірочної схеми, то державна реєструється в ISO/IEC як еталонна перевірочна схема для міжнародних стандартів.

Перевірочні схеми оформляють у вигляді креслень. На кресленні перевірочної схеми повинні бути вказаний:

● найменування ВТ і методів перевірки,

● номінальні значення або діапазони значень фізичних величин,

● значення погрішності ВТ, що допускаються,

● значення погрішності методів перевірки, що допускаються

Роль перевірочних схем в метрологічному забезпеченні виходить за рамки їх законодавчого елемента, тому перевірочні схеми розглядаються як:

● віддзеркалення наукового і технічного потенціалу метрології і вимірювальної техніки,

● один з головних аспектів метрології, тому – сто розробка і реалізація перевірочних схем – це основна функція метрологічної науки.

● Керівний принцип організації і управління центрів метрології.

Методи перевірки ВТ

1) Метод безпосереднього звірення 2 ВТ без застосування компараторів і ін. проміжних пристроїв. Цей метод широко застосовується при перевірці вимірювальних приладів електричних величин, магнітних величин, в області вимірювання механічних величин (тиск). При проведенні цієї перевірки абсолютна погрішність приладу, що повіряється, не повинна перевищувати нормативної величини, вказаної в додатку перевірочної схеми. При абсолютній погрішності різних діапазонів одного і того ж приладу можуть відрізнятися від вказаних в перевірочній схемі в випадку, якщо кожний діапазон повіряється окремим зразковим ВТ.

При використовуванні методу звірення можуть використовуватися прилади, засновані на різних принципах вимірювань і призначені для вимірювання однорідних фізичних величин різних типів (постійний і змінний струм). Вимірювання таких величин виконують шляхом введення в перевірочну схему проміжного пристрою, який дозволяє побічно зв'язувати різнотипні фізичні величини (исп. компаратор). Компаратором може бути будь-яке ВТ, наприклад, при звірення заходів опору і індуктивності мула місткості як компаратор використовують мости постійного або змінного струму, при звіренні заходів опору або ЕДС використовують тензометры.

2) Звірення заходів з пом. компараторів здійснюють методами зіставлення або заміщення.

3) Метод прямого вимірювання величини, відтворною зразковою мірою. При цьому до заходів пред'являються наступні вимоги:

● можливість відтворення мірою тієї фізичної величини, в якій градуйовано ВТ, що повіряється,

● діапазон фізичної величини зразкової міри повинен перекривати весь діапазон шкали ВТ, що повіряється.

4) Метод непрямих вимірювань застосовується, коли дійсні значення фізичної величини, відтворні ВТ, що повіряються, неможливо визначити прямими вимірюваннями або непрямі вимірювання більш прості і точні. Основою методу є розрахунок фізичної величини за свідченнями ВТ.

 

Державні випробування ЗВТ

Державним випробуванням підлягають ЗВТ, призначені для серійного виробництва або для ввезення на територію України партіями не менше 50 шт. Мета випробувань:

● затвердження типів ЗВТ,

● контроль відповідності вимогам вітчизняної нормативної документації по метрології.

Після проведення гос. випробувань типи ЗВТ заносяться в Державний реєстр України. Гос. випробуванням не підлягають ВТ, які застосовуються в побуті і ВТ, на які не розповсюджується гос. метрологічний нагляд.

Розрізняють гос. приймальні і контрольні випробування. Гос. приймальні проводять для випробування зразків нових ЗВТ. Контрольні проводяться для ЗВТ, що серійно випускаються, для підтвердження відповідності вимогам вітчизняної нормативної документації по метрології. На гос. приймальні випробування прямують не менше 3 зразків ЗВТ (бажано з різних партій).

При проведенні приймальних випробувань перевіряють:

1) відповідність ВТ потребам України,

2) відповідність номенклатури і способів нормування метрологічних характеристик вимогам стандартів України, а також можливість контролю цих метрологічних характеристик при серійному виробництві, імпорті, після ремонту і експлуатації,

3) вимоги по безпеці і охороні навколишнього середовища,

4) відповідність технічних характеристик вимогам Технічних завдань (ТХ),

5) можливість проведення первинної і періодичної перевірок,

6) повноту і правильність викладу експлуатаційної документації.

Окрім цього, при проведенні гос. приймальних випробувань необхідно оцінити відповідність нових ЗВТ характеристикам аналогічних ЗВТ, які серійно випускаються в Україні або за рубежем.

Позитивні результати гос. приймальних випробувань є підставою для видачі підприємству – виготівнику дозволу на виготовлення встановленої серії (50 – 100 шт.). Після виготовлення встановленої серії обов'язково проводяться гос. контрольні випробування зразків, які мають право проводити територіальні органи гос. стандарту.

Державна реєстрація ЗВТ ведеться з метою здійснення обліку затверджених типів ЗВТ і в створенні гос. інформаційної фундації ЗВТ. Окрім цього, в органах метрологічної служби в обов'язковому порядку зберігаються всі 3 зразки після кожного випробування.

Кожному типу ЗВТ, занесеному в гос. реєстр України, привласнюється реєстраційний номер, який складається з букви В, порядкового номера реєстрації, 2 останні цифри – рік реєстрації. ЗВТ може бути виключений з гос. реєстру на підставі рішення науково – технічної комісії по метрології при гос. стандарті України. Інформацію про виключення гос. стандарт зобов'язаний направити підприємству – виготівнику і споживачам ВТ, які придбали більше 2 штук.

 

Метрологічна надійність ВТ

В процесі експлуатації метрологічні характеристики ВТ змінюються. Ці зміни носять випадковий характер і частіше за все залежать від умов експлуатації і приводять до відмов ВТ.

Не метрологічною вважається відмова, обумовлена причинами, не пов'язаними із зміною метрологічних характеристик. Такі відмови виявляються

раптово і можуть бути явно визначений без проведення перевірки ВТ.

Метрологічним називається відмова, пов'язана з виходом метрологічних характеристик за межі допустимих меж. Метрологічні відмови раптові і поступові.

Раптовим наз. відмова, яка характеризується стрибкоподібною зміною метрологічних характеристик. Такі відмови визначаються явним способом. Основною особливістю раптових відмов є їх постійна інтенсивність. Для аналізів раптових відмов можна застосовувати класичну теорію надійності.

Поступовим наз. відмова, яка характеризується поступовою зміною метрологічних характеристик. Такі відмови можна виявити тільки під час періодичного контролю ВТ.

Метрологічною справністю ВТ наз. стан, при якому всі метрологічні характеристики відповідають встановленим нормам.

Здатністю ВТ зберігати встановлені метрологічні характеристики в процесі експлуатації наз. метрологічною надійністю.

Стабільність ВТ – якісна характеристика, яка відображає незмінність в часі всіх метрологічних характеристик.

Безвідмовністю ВТ наз. властивість зберігати метрологічні характеристики і безперервний робочий стан в перебігу встановленого періоду часу.

Довговічність ВТ – властивість ВТ зберігати працездатний стан до моменту настання граничного стану (коли МХ досягають меж допустимих меж).

Ремонтопрігодность ВТ – властивість ВТ, яке характеризується пристосованістю ВТ до попередження і виявлення причин відмови, а також до їх усунення. Ремонтопрігодность характеризується витратами часу і засобів на відновлення ВТ після метрологічної відмови і підтримці його в працездатному стані.

 

Вибір ВТ

При виборі ВТ враховується:

● сукупність МХ (ціна розподілу, погрішність, межі вимірювань, вимірювальне зусилля),

● сукупність експлуатаційних і економічних показників, до яких відноЗВТься: масовість (велика кількість однотипних вимірювань величин однакових размерностей), доступність для контролю, вартість і надійність ВТ,

● метод вимірювання,

● час на настройку і проведення вимірювань,

● габарити, вага.

Основна трудність технико - економічного підходу при виборі ВТ полягає в тому, що сам процес вимірювання не створює матеріальних цінностей.

Загальні принципи вибору ВТ:

1) для гарантії відносна погрішності вимірювання ВТ повинна бути на 25 – 30% нижче, ніж нормативна відносна погрішність,

2) вибір ВТ залежить від масштабів виробництва і кількості що знаходяться в експлуатації однотипних ВТ,

3) метод вимірювання. Якщо контролюється точність технологічного процесу, то ВТ повинні вибирати з переліку засобів для технологічних баз. Якщо ж контролюється експлуатаційний процес, то повинні вибирати з експлуатаційних баз,

4) при виборі ВТ по метрологічних характеристиках необхідно враховувати наступне:

a) якщо можливі істотні зміни параметра, то межі шкали ВТ повинні перевищувати межі розсіювання значень параметра не менше, ніж на 30%,

b) ціна розподілу шкали повинна вибиратися з урахуванням завдання точності вимірювання (при контролі технологічних процесів повинні використовуватися ВТ з ціною розподілу не більше 1/6 допуску на виготовлення.

5) до реєструючої апаратури пред'являється ряд вимог:

a) сигнал, що проходить через ВТ, повинен зберігати інформативність і легко відділятися від перешкод,

b) первинні перетворювачі повинні споживати мінімум енергії від об'єкту вимірювання,

c) носій інформації повинен мати достатній Обсяг для реєстрації всіх відомостей,

d) реєструюча апаратура повинна мати високу швидкодію.