Метрология (от греческих слов: метрон - мера и логос - учение) - наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Ее делят на несколько видов:

1. Общая, которая в свою очередь включает:

§ теоретическую - занимается вопросами фундаментальных исследований, созданием системы единиц измерений, физических постоянных, разработкой новых методов измерений;

§ экспериментальную - занимается вопросами создания эталонов, образцов мер, разработкой новых измерительных приборов, устройств и информационных систем.

2. Законодательная метрология включает комплекс взаимосвязанных и взаимообусловленных общих правил, а также другие вопросы, регламентация и контроль которых необходимы со стороны государства для обеспечения единства измерений и единообразия средств измерения (СИ).

Задачи метрологического обеспечения:

- создание и применение эталонов единиц физических величин;

- определение и уточнение физических констант и физико-химических свойств веществ и материалов;

- создание и выпуск образцовых средств измерения;

- разработка и применение стандартных методов, средств и схем проверки измерительных приборов;

- проведение государственных испытаний разработанных и импортируемых средств измерений;

- государственный надзор и ведомственный контроль состояния и применения средств измерений.

управление качество сертификация метрология

Измерения - совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, заключающихся в сравнении измеряемой величины с ее единицей.

Измерения являются основой научных знаний, служат для учета материальных ресурсов, обеспечения качества продукции, совершенствования технологии, охраны здоровья, обеспечения безопасности труда и для многих областей деятельности. Между качеством продукции и качеством измерений существует непосредственная связь.

Качество измерений - это совокупность свойств состояния измерений, обуславливающих получение результатов измерений с требуемой точностью, в необходимом виде и в установленный срок.

Главные функции измерений.

1. Учет продукции народного хозяйства, исчисляющейся по массе, длине, объему, расходу, мощности, энергии.

2. Измерения, проводимые для контроля и регулирования технологических процессов (особенно в автоматизированных производствах) и для обеспечения нормального функционирования транспорта и связи.

3. Измерения физических величин, технических параметров, состава и свойств веществ, проводимые при научных исследованиях, испытаниях и контроле продукции в различных отраслях.

Измерения делятся:

§ в зависимости от СИ, которыми были выполнены:

- технические - это измерения с помощью рабочих СИ с целью контроля параметров изделий, технологических процессов, для диагностики заболеваний, контроля загрязнения окружающей среды и др.;

- метрологические - измерения с помощью эталонов, образцовых средств измерения с целью воспроизводства единиц физических величин для передачи их размеров рабочим СИ;

§ по числу измерений в ряду измерений:

- однократные;

- многократные;

§ по отношению к изменению измеряемой величины:

- абсолютные - измерения, которые основаны на прямых измерениях одной или нескольких основных величин или на использовании значений физических констант (определение длины в метрах, силы электрического тока в амперах, ускорения свободного падения в метрах на секунду в квадрате);

- относительные - измерения отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную. Например, измерение относительной влажности воздуха, определяемой как отношение количества водяных паров в 1 м³ воздуха к количеству водяных паров, которое насыщает 1 м³ воздуха при данной температуре;

§ по общим приемам получения результатов измерений:

- прямые - это измерения, при которых искомое значение физической величины находят непосредственно из опытных данных. Измеряемую величину или непосредственно сравнивают с мерой, или же определяют с помощью измерительных приборов, градуированных в требуемых единицах (измерения длины тела линейкой, массы при помощи весов);

- косвенные - когда результат определяется на основании результатов прямых измерений других физических величин, связанных с искомой определенной зависимостью. Примером может быть: определение объема тела по прямым измерениям его геометрических размеров, нахождение удельного электрического сопротивления проводника по его сопротивлению, длине и площади поперечного сечения;

- совокупные - это производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомую определяют решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин. Примером является определение массы отдельных гирь набора (калибровка по известной массе одной из них и по результатам прямых сравнений масс различных сочетаний гирь);

- совместные - производимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных (неоднородных) величин для нахождения зависимостей между ними (изменение электрического сопротивления измерительного резистора по данным прямых измерений его сопротивления при различных температурах);

§ по выражению результатов измерений:

- статические - измерение неизменной во времени физической величины, например размеров и массы тела, постоянного тока;

- динамические - измерения, в процессе которых измеряемая величина изменяется и является непостоянной во времени, например, переменного тока, пульсирующих давлений, вибраций.

Типичным объектом измерений является физическая величина. Физическая величина применяется для описания материальных систем, объектов, явлений, процессов и т.п., изучаемых в любых науках.

Существуют основные и производные физические величины. Основные характеризуют фундаментальные свойства материального мира. В механике их 3, в теплотехнике - 4, физике - 7. ГОСТ 8.417 устанавливает семь основных физических величин (длина, масса, время, термодинамическая температура, количество вещества, сила света, сила тока) и две дополнительные (плоский и телесный углы), остальные величины относятся к производным.

Измеряемые величины имеют количественную и качественную характеристики.

Формализованным отражением качественного различия измеряемых величин является их размерность.

В соответствии с ИСО 31/0 размерность обозначается символом dim (от латинского dimension - размерность). Размерность основных физических величин - длины, массы, времени - обозначается соответствующими заглавными буквами:

(6.1)

Размерность производной величины выражается через размерности основных физических величин с помощью степенного одночлена

, (6.2)

где - показатели размерности (степени, в которую возведены размерности основных физических величин).

Каждый показатель размерности может быть положительным или отрицательным, дробным или целым, равным 0. Если все показатели размерности равны нулю, то ее называют безразмерной. Важнейшие единицы международной системы представлены в табл. 6.1.

Таблица 6.1

Единицы международной системы (СИ)

Количественной характеристикой измеряемой величины служит ее размер. Получение информации о размере любой физической или нефизической величины является содержанием любого измерения.

Значение физической величины получают в результате ее измерения или вычисления в соответствии с основным уравнением измерения

Q=X [Q], (6.3)

где

Q - значение физической величины;

X-числовое значение;

[Q] - выбранная для измерения единица.

В зависимости от того, на какие интервалы разбита шкала, размеры представляются по-разному.

Например, измерение длины отрезка в 10 см с помощью линейки, имеющей деления в сантиметрах и миллиметрах, можно представить:

Q₁=10 см, при X₁ =10 и [Q₁] =1 см;

Q₂=100 мм, при X₂ =100 и [Q₂] =1 мм.

Средство измерения (СИ) - это техническое средство (или его комплекс), используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические характеристики. В отличие от индикаторов СИ не только обнаруживают физические величины, но и измеряют ее, то есть сопоставляют неизвестный размер с известным. Для облегчения сопоставления на стадии изготовления у прибора фиксируют на шкале деления в кратном и дольном отношении, что называют градуировкой шкалы.

По конструктивному исполнению СИ подразделяют: на меры физических величин, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки, измерительные системы.

1. Меры - средства измерений, предназначенные для воспроизведения физических величин заданного размера. Различают:

- однозначные меры, которые воспроизводят величины одного размера (гиря);

- многозначные меры - воспроизводят несколько размеров физической величины (миллиметровая линейка дает возможность выразить длину предмета в миллиметрах и сантиметрах).

2. Измерительные преобразователи - средства измерений, которые служат для преобразования сигнала измерительной информации в форму, удобную для обработки и хранения.

3. Измерительные приборы - средства измерений, которые служат для преобразования сигнала измерительной информации в форму, удобную для восприятия (манометры, термометры и т.д.).

4. Измерительные установки и системы - это совокупность средств измерений, объединенных по функциональному признаку со вспомогательными устройствами, для измерения однозначной или нескольких физических величин объекта измерений.

По метрологическому назначению СИ делятся на два вида:

§ рабочие средства измерений применяют для определения параметров (характеристик) предметов, технологических процессов, окружающей среды и др.;

§ эталоны - средство для хранения, измерения и воспроизведения данной величины с целью передачи ее размера другим средствам измерений данной величины. Эталоны классифицируются на первичные, вторичные и рабочие. Эталонная база России насчитывает 120 государственных первичных и специальных эталонов.

Метрологические характеристики СИ - это количественная характеристика метрологических свойств средств измерения, влияющих на результат измерений или на их погрешность.

Характеристики, устанавливаемые нормативно-техническими документами, называются нормируемыми, а определяемые экспериментально - действительными. Номенклатура метрологических характеристик, правила выбора комплексов нормируемых метрологических характеристик для средств измерений и способы их нормирования определяются стандартом ГОСТ 8.009-84 "ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений".

Согласно данному документу выделяют следующие нормируемые метрологические характеристики:

1. Характеристики, предназначенные для определения результатов измерений.

2. Характеристики погрешностей средств измерений.

3. Характеристики чувствительности средств измерений к влияющим величинам выбирают из числа следующих.

4. Динамические характеристики средств измерений.

5. Характеристики средств измерений, отражающие их способность влиять на инструментальную составляющую погрешности измерений вследствие взаимодействия средств измерений с любым из подключенных к их входу или выходу компонентов (таких, как объект измерений, средство измерений и т.п.).

6. Неинформативные параметры выходного сигнала средства измерений.

В литературе все перечисленные характеристики обычно сводятся к следующим основным: диапазону измерений, порогу чувствительности, погрешности.

Диапазон измерений - область значений величины, в пределах которых нормированы допускаемые пределы погрешностей.

Порог чувствительности - наименьшее изменение измеряемой величины, которое вызывает заметное изменение выходного сигнала.

Погрешность - разность между показаниями средства измерения и истинным (действительным) значением измеряемой величины.

В 2004 году на международном уровне был принят новый документ (ISO/IEC Guide 2: 2004. Standardization and related activities - General vocabulary) http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%D0%B3%D1%80%D0%B5%D1%88%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C_%D0%B8%D0%B7%D0%BC%D0%B5%D1%80%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F - cite_note-VIM-1, диктующий условия проведения измерений и установивший новые правила сличения государственных эталонов. Понятие "погрешность" стало устаревать, вместо него было введено понятие "неопределенность измерений", однако ГОСТ Р 50.2.038-2004 допускает использовать термин погрешность для документов, использующихся в России.

Погрешность измерения является характеристикой (мерой) точности измерения. В качестве действительного значения для рабочих средств измерения принимают показатели образцового средства измерения, для образцового - показатели эталонного средства измерения. Погрешность образцового средства измерений достаточно мала, и при сличении ею часто пренебрегают:

, (6.4)

где - погрешность измерения; X' - результат измерения;

Q - истинное значение измеряемой величины.

В зависимости от характеристик измеряемой величины для определения погрешности измерений используют различные методы.

Метод Корнфельда, заключается в выборе доверительного интервала в пределах от минимального до максимального результата измерений и погрешности как половине разности между максимальным и минимальным результатом измерения:

, (6.5)

где - погрешность измерения;

- максимальный и минимальный результаты измерений соответственно.

Средняя квадратическая погрешность:

, (6.6)

· Средняя квадратическая погрешность среднего арифметического

. (6.7)

Обычно метрологические характеристики нормируют раздельно для нормальных и рабочих условий применения средств измерения.

Нормальные условия, когда изменением характеристик под влиянием внешних факторов принято пренебрегать. Для многих средств измерения нормальными являются: температура (20±5) ?C, атмосферное давление (100±4) кПа, относительная влажность (65±15) %, электрическое напряжение (220 В±10) %. Рабочие условия - более широкий диапазон изменения влияющих величин.

Основная погрешность средства измерения - погрешность, определяемая в нормальных условиях его применения. Погрешность, обусловленную выходом значений влияющих величин за пределы нормальных значений, называют дополнительной.

Пределы основных допускаемых погрешностей нормируют и выражают в форме абсолютных, приведенных и относительных погрешностей. Пределы допускаемой абсолютной погрешности устанавливают по формулам

(6.8)

или

, (6.9)

где - абсолютная погрешность; a,b - положительные числа, не зависящие от ; - значение измеряемой величины.

Нормирование в соответствии с формулой (5.9) означает, что в составе присутствуют аддитивная и мультипликативная составляющие, например для генератора низкой частоты Г3-36 Гц.

Пределы допускаемой относительной погрешности находят, если , по формуле

, (6.10)

если , по формуле

, (6.11)

где - относительная погрешность;

q,c,d - положительные числа, выбираемые из стандартизированного ряда значений ( (1; 1,5; 2; 2,5; 4; 5;

6) 10ⁿ, где n=1,0,-1 и т.д.);

X_{K -} больший по модулю из пределов измерений (или сумма пределов измерения для приборов с нулем посредине).

Приведенной называется относительная погрешность, вычисленная в процентах от некоторого нормирующего значения. В качестве нормирующего обычно принимают конечное значение шкалы (модуль разности пределов измерений для СИ, шкала которых имеет условный нуль или сумма пределов измерения для приборов с нулем посредине). Пределы допускаемой приведенной основной погрешности находят по формуле

, (6.12)

где - приведенная погрешность;

- нормирующее значение, выраженное в тех же единицах, что и ;

- отвлеченное положительное число, выбираемое из стандартизированного ряда значений.

Класс точности - обобщенная характеристика точности средств измерения, выраженная пределами его допустимых погрешностей. Обозначение класса точности (как правило, арабскими цифрами) наносится на циферблате СИ. Для СИ, пределы допускаемой основной погрешности которых выражают в форме приведенной или относительной погрешности (формулы (5.10) и (5.12)), классы точности обозначаются числами, равными этим пределам в процентах (q и p соответственно).

Пределы допускаемой приведенной погрешности обозначаются конкретным числом, например 1,5. Класс точности означает, что значение измеряемой величины не отличается от того, которое показывает указатель отсчетного устройства, более чем на соответствующее число процентов от верхнего предела измерения.

Если погрешность нормирована в процентах от длины шкалы (для неравномерных шкал), то под обозначением ставят знак 2,5.

Класс точности в виде относительной погрешности заключается в окружность, например (означает, что проценты исчисляются непосредственно от того значения, которое показывает указатель отсчетного устройства). Если относительная погрешность нормирована формулой (5.11), то класс точности обозначается как c/d (например, 0,02/0,01). Примеры приборов различных классов точности приведены в прилож.5.

По характеру проявления во времени и возможностям устранения различают систематическую и случайную составляющие погрешностей измерений, а также грубые погрешности (промахи).

Систематическая погрешность при повторных измерениях одной и той же величины в одних и тех же условиях остается постоянной или закономерно изменяется. Случайная погрешность при повторных измерениях изменяется случайным образом.

В процессе измерения оба вида погрешностей проявляются одновременно, и погрешность измерения можно представить в виде суммы

, (6.13)

где - случайная, а - систематическая погрешности.

Грубые погрешности возникают из-за ошибочных действий оператора, неисправности СИ, резких изменений условий измерений и должны быть обязательно исключены из серии измерений. Как правило, наличие грубых ошибок выявляется в результате обработки результатов измерений с помощью специальных критериев (критерий "трех сигм”, критерий Романовского, критерий Диксона, критерий Шовине и др.).

При числе наблюдений n>20 можно использовать критерий "трех сигм” (критерия Райта). По этому критерию результат малореален, и его можно квалифицировать как промах, если он отличается от среднего более чем на 3у, т.е. >3у. Вероятность возникновения такого результата q< 0,003 (1-0,9973).

Критерий Романовского используют, если число измерений меньше 20 (n<20). При этом вычисляют отношение и полученное значениесравнивают с теоретическим (табличным значением, см. прилож.4) - при выбираемом уровне значимости q. Если , то результат отбрасывают.

При применении вариационного критерия Диксона полученные результаты наблюдений записывают в вариационный возрастающий ряд (x₁<x₂<…<x_n). Критерий Диксона определяется как . Критическая область для этого критерия . Значения находятся по таблице (см. прил.4).

Пример 1. Было проведено пять измерений напряжений в электросети. Получены следующие данные: 127,1; 127,2; 127; 127,2; 127,8 В. Используя критерии Романовского и Диксона, проверьте при уровне значимости q=0,1, не является ли промахом результат 127,8 В, который, на первый взгляд, отличается от остальных.

Решение: Для проверки, не является ли промахом последний результат измерений по вариационному критерию Диксона, результаты измерений представляются в виде вариационного ряда, ранжированного по возрастанию.

Таблица 6.2

Данные для расчета в виде ранжированного ряда

Критерий Диксона для последнего члена этого ряда рассчитывается следующим образом:

= (127,8 - 127,2) / (127,8 - 127) = 0,75.

Табличное значение коэффициента z_q = 0,68 (см. прилож. 4), расчетное значение критерия Диксона К_Д =0,75 больше табличного, значит, последний результат является промахом.

Для проверки, не является ли промахом последний результат измерений по вариационному критерию Романовского, необходимо найти среднее арифметическое значение измерений напряжения и его среднеквадратическое отклонение без учета проверяемого результата 127,6 В, т.е. для четырех измерений:

...