Основы метрологии

Первичный измерительный преобразователь часто называют "датчиком". Его часть, воспринимающая измеряемую величину, называется "чувствительным элементом" или "сенсором". Не следует "сенсор" называть датчиком. После датчика обычно располагается промежуточный измерительный преобразователь (аналоговый, аналого-цифровой - АЦП, цифро-аналоговый - ЦАП).

Неопределенность измерений нуля связывается с нулевым показанием или показанием, близким к нулю, и охватывает интервал, для которого неизвестно, является ли измеряемая величина слишком малой, чтобы быть обнаруженной, или показание средства измерений вызвано только шумом.



8.3 Установки и системы

Измерительная установка - "совокупность функционально объединенных и расположенных в одном месте мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенная для определения одной или нескольких величин" [22].

Установку, применяемую для поверки СИ, называют "поверочной установкой". Измерительную установку, входящую в состав эталона, называют "эталонной установкой".

Установки бывают автоматические и автоматизированные, а также - измерительно-вычислительные комплексы (ИВК). Например, установка УАК-БКЗ-БК для автоматизированной калибровки аппаратуры электрического каротажа, установка УАК-СТМ-100/60 для автоматизированной калибровки скважинных термометров и манометров.

Измерительная система - совокупность средств измерений, разнесенных в пространстве на значительные расстояния и соединенных каналами связи (например, геофизическим кабелем). Различают автоматизированные измерительные системы (АИС) и информационно-измерительные системы (ИИС). Вся скважинная геофизическая измерительная аппаратура, состоящая из скважинной и наземной частей, соединенных геофизическим кабелем, относится к автоматизированным измерительным системам.

К метрологическим проблемам измерительных систем относится проблема определения общей (суммарной) погрешности измерений из-за работы составных частей в разных условиях. Например, в скважине температура достигает +170^оС, а на земной поверхности (в каротажной лаборатории) +10^оС и ниже. На разные участки геофизического кабеля в скважине воздействуют разные значения температуры.

8.4 Контроль стабильности свойств СИ во времени

СИ могут иметь либо шкалу, либо цифровое табло, либо градуировочную характеристику, либо семейство градуировочных характеристик при различных влияющих факторах.

Градуировка средства измерений - совокупность операций, выполняемых с целью передачи ему единицы величины путем нанесения отметок шкалы или установления параметров градуировочной характеристики (ГХ) заданного вида. ГХ может быть номинальной (стандартной, типовой) или индивидуальной. Часто регламентируют типовую ГХ и периодически оценивают и применяют индивидуальную функцию поправок к показаниям СИ.

Однако в процессе жизненного цикла СИ происходит их износ, старение электронных компонентов, изменения от периодического воздействия температуры, давления и других факторов. При этом меняется значение ранее переданной единицы физической величины.

Контроль стабильности переданной единицы во времени выполняют путем периодической калибровки и поверки с использованием эталонов и измерительных установок, воспроизводящих воздействие на СИ влияющих величин. Для индивидуально градуируемых средств измерений периодически строится новая ГХ, с новыми коэффициентами функции преобразования.

Калибровка (средства 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. В процессе метрологических исследований СИ оцениваются действительные значения его метрологических характеристик (например, поправки, параметры функции преобразования, характеристики основной и дополнительной погрешности, входные и выходные импедансы, динамические характеристики). При этом не требуется подтверждение их соответствия нормированным метрологическим характеристикам.

Поверка (средства измерений) - установление официально уполномоченным органом пригодности средства измерений к применению на основании экспериментально определяемых метрологических характеристик и подтверждения их соответствия обязательным установленным требованиям.

Учитывая то, что градуировка - составная часть калибровки, а калибровка - часть поверки, то графически такую иерархию понятий по содержанию можно изобразить в виде вложенных структур ("русской матрешки"), рис. 13.

Рис. 13. Графическое изображение соотношения понятий "поверка", "калибровка" и "градуировка" СИ по их содержанию.

Процедуры калибровка и поверка основаны на измерительном эксперименте (на моделировании измерений) с использованием эталонов и измерительных установок. Без эталонов и установок эти процедуры невозможны.

Следует также отметить, что поверка возможна и без результатов калибровки как допусковый контроль.

Нормальные условия - 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 и устанавливаются в нормативных документах на СИ конкретного типа или при их калибровке и поверке.

Погрешность СИ в нормальных условиях называют основной погрешностью средства измерений. Нормальные условия относятся к условиям измерений, при которых установленная инструментальная погрешность будет наименьшей.

Термины "эталонировка" и "тарировка" средств измерений, укоренившиеся в геофизике, применять не рекомендуется как не предусмотренные Законом № 102-ФЗ и не принятые для применения в общей метрологии и метрологической практике.

8.5 Измерения при контроле и испытаниях

СИ используются не только для измерений величин, но и при проведении таких операций как контроль технологических процессов и испытания продукции.

Контроль - это процесс определения соответствия значения параметра изделия установленным требованиям или нормам. Он включает измерительное преобразование (получение измеренного значения параметра), сравнение с нормой (с допуском), представление результата. Измерение - часть контроля.

Испытание - экспериментальное определение количественных и (или) качественных характеристик свойств объекта как результата воздействия на него при его функционировании, а также моделировании объекта и (или) воздействий (ГОСТ 16504-91). Испытания проводятся путем измерений и контроля. Результат испытаний - оценка характеристик свойств объекта и соответствия заданным требованиям, а также анализ его функционирования в процессе испытаний. Результат испытаний характеризуется показателями точности.

Можно сказать, что измерения - составная часть контроля, а контроль и измерения - часть испытаний, тогда графически их можно также изобразить в виде вложенных структур, рис. 14.

Рис. 14. Графическое изображение соотношения понятий "испытание", "контроль" и "измерение".

Для обеспечения требуемого уровня достоверности контроля и точности испытаний требуются СИ с требуемыми показателями точности.

При выборе средств измерений для проведения контроля и испытаний изделий рекомендуют погрешность СИ в четыре раза меньше погрешности измерений параметра контроля или испытаний.

При допусковом контроле различают ошибки I и II рода. Если забраковано исправное изделие, то это ошибка I рода, если признано годным неисправное изделие, то возникает ошибка II рода.

8.6 Геофизические измерительные системы

Скважинная геофизическая аппаратура относится к измерительным системам, характерной особенностью которых является значительное расстояние между ее частями в пространстве, соединенными каналом связи (например, геофизическим кабелем, гидравлическим каналом или электромагнитным каналом). Скважинная и наземная части работают в резко отличающихся условиях, а на кабель воздействуют распределенные нагрузки и температура, что вызывает проблемы с нормированием и оцениванием погрешностей измерений в реальных условиях применения аппаратуры.

Кроме того, измерения большинства параметров пластов и скважины выполняются в динамическом режиме (в процессе каротажа), что вызывает динамические погрешности, обусловленные инерционными свойствами скважинной геофизической аппаратуры. Учитывать динамические погрешности скважинных измерений путем их коррекции практически невозможно, поэтому в "Технической инструкции по проведению геофизических работ" и во всех МИ предусмотрены ограничения скорости перемещения зонда вдоль оси скважины. При этом максимально допустимую скорость каротажа выбирают таким образом, чтобы максимальные динамические погрешности не превышали половины нормированного предела основной погрешности.

В аппаратуре ядерно-геофизических методов каротажа, содержащей источник ионизирующих излучений, используются два однотипных детектора (счетчика элементарных частиц) на разных расстояниях от источника. Такое конструктивное исполнение позволяет в качестве выходного сигнала аппаратуры использовать относительный выходной сигнал - отношение частоты следования импульсов в ближнем детекторе к частоте следования импульсов, зарегистрированной в дальнем детекторе.

Использование относительного выходного сигнала двух зондовой скважинной аппаратуры позволяет автоматически компенсировать значительную часть влияния какой-либо промежуточной зоны неоднородной среды. Например, он используется в аппаратуре нейтронного каротажа и плотностного гамма-гамма каротажа, что позволяет значительно снизить влияние глинистой корки и других факторов на погрешность измерений коэффициента пористости и плотности пласта, пересеченного скважиной.

9. Нормируемые метрологические характеристики

9.1 Источники инструментальной погрешности

Инструментальной погрешностью измерений называется составляющая погрешности измерений, обусловленная неидеальностью (несовершенством) применяемых средств измерений.

К источникам погрешности относятся следующие факторы:

1) неидеальность эталона единицы величины при её передаче СИ (неверно нанесены отметки шкалы или построена градуировочная характеристика) в нормальных условиях;

2) отличие реальной функции преобразования СИ от номинальной или аппроксимированной индивидуальной функции; например, нелинейность реальной функции преобразования, принимаемой за линейную градуировочную характеристику;

3) нестабильность функции преобразования (показаний) СИ во времени;

4) наличие люфтов, гистерезиса (вариации показаний);

5) реакция (изменение показаний) СИ на воздействие влияющих факторов (температуры, давления, содержания химических элементов, диаметра скважины и пр.).

Погрешность передачи единицы величины от эталона в большинстве случаев является преобладающей и может быть уменьшена только применением более точных эталонов.

Погрешности от остальных источников могут быть уменьшены до уровня несущественных совершенствованием конструктивных особенностей самого СИ, повышением его стабильности во времени, коррекцией изменения показаний от влияющих величин.

Все свойства СИ, связанные с источниками погрешности, отражаются в документации нормированными метрологическими характеристиками.

Оценки инструментальной погрешности измерений в реальных условиях применения СИ могут быть определены экспериментально или получены расчетным путем по его нормированным метрологическим характеристикам.



9.2 Группы нормируемых МХ

Научно обоснованные подходы к нормированию метрологических характеристик средств измерений изложены в ГОСТ 8.009-84 "ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений".

В этом стандарте выделены следующие группы характеристик: характеристики преобразования; динамические характеристики, входные и выходные импедансы; неинформативные параметры выходного сигнала; характеристики погрешности; характеристики влияния.

Характеристики преобразования нормируют с целью получения возможности хранения переданной от эталона единицы измеряемой величины для отсчета показаний (получения измеренных значений). К ним относятся функция преобразования (градуировочная характеристика), цена деления шкалы (для аналоговых приборов), выходной код и цена единицы наименьшего разряда кода (для цифровых приборов).

Динамические характеристики отражают инерционные свойства СИ и включают полные характеристики (например, передаточную функцию, амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики) и частные характеристики (например, постоянную времени).

Входные и выходные импедансы нормируют для отражения воздействия СИ на измеряемую величину или на другое СИ. Например, расходомер в трубе создает сопротивление жидкостному потоку и изменяет значение измеряемой величины - расхода жидкости в трубе.

Неинформативные параметры выходного сигнала (например, амплитуду и форму импульса) нормируют, если они могут влиять на измеренное значение или характеристики погрешности.

Рассмотрим более детально только нормируемые характеристики основной погрешности и характеристики влияния (характеристики дополнительной погрешности).



9.3 Характеристики основной погрешности

Характеристики основной погрешности устанавливаются для определенных нормальных условий измерений и выбираются из ряда:

- пределы допускаемой основной абсолютной систематической погрешности;

- предел допускаемого среднего квадратичного отклонения случайной составляющей основной абсолютной погрешности;

- предел допускаемой вариации;

- наибольшие допускаемые изменения показаний за установленный интервал времени t;

- пределы допускаемой основной абсолютной погрешности.

Первые две характеристики нормируют, когда случайная составляющая основной погрешности СИ существенна и соизмерима с систематической составляющей, например, у инклинометров.

Пятая составляющая нормируется вместо первых двух, когда случайная составляющая погрешности несущественна. Это наиболее распространенный случай нормирования характеристик основной погрешности для скважинной аппаратуры.

Эти характеристики связаны между собой соотношением:

. (34)

Третья характеристика отражает, например, люфты каверномеров и гистерезис манометров. Четвертая характеристика отражает существенное изменение погрешности во времени и нормируется, например, для скважинных высокочувствительных термометров.

Рассмотренные характеристики основной погрешности регламентируют для некоторых фиксированных условий, условно принятых за нормальные условия измерений. При этом нормальные значения регламентируются для каждого из влияющих факторов сравнительно узким интервалом. Например, температура окружающего воздуха (20 ? 2)^оС, атмосферное давление (100 ? 8) кПа.

В том случае, когда рабочие условия отличаются от нормальных и погрешности аппаратуры существенно изменяются в зависимости от параметров влияющих факторов, нормируют характеристики влияния (характеристики дополнительной погрешности).

9.4 Характеристики влияния

Дополнительные погрешности могут рассматриваться как изменения показаний под воздействием на СИ изменений какой-либо влияющей величины (влияющего фактора) относительно ее нормированного нормального значения.

Обычно для геофизической аппаратуры нормируемые характеристики дополнительной погрешности выбираются из ряда:

1) номинальная функция влияния фактора на поправку и наибольшие допускаемые отклонения от нее;

2) граничные функции влияния фактора на показания аппаратуры;

3) наибольшие допускаемые изменения показаний в интервале изменения влияющей величины.

1. Номинальная функция влияния фактора на поправку и наибольшие допускаемые отклонения от нее - нормируются для совокупности однотипной аппаратуры, если для каждого экземпляра аппаратуры сохраняется закономерность изменения показаний или выходного сигнала при изменении влияющего фактора. Такая характеристика, например, нормирована для индукционного резистивиметра РИС-42 и аппаратуры индукционного каротажа ИК-36. Наличие такой НМХ позволяет уменьшить общую (результирующую) погрешность аппаратуры в рабочих условиях ее применения.

По сути, такая номинальная функция влияния носит характер поправки к измеренному значению величины, которая при известном значении влияющего фактора может быть определена и выполнена коррекция полученного измеренного значения.

Номинальная функция влияния фактора N на поправку к показаниям СИ в аналитическом виде может быть представлена формулой:

, (34)

где N₀ - нормальное значение влияющего фактора.

Наибольшие допускаемые отклонения от номинальной функции влияния фактора N на поправку в аналитическом виде могут быть представлены формулой:

, (35)

где а - коэффициент, отражающий интенсивность влияния фактора на показания СИ.

Например, влияние температуры Т на показания аппаратуры ИК при измерении удельной электрической проводимости может быть нормировано функцией:

. (36)

Наибольшие допускаемые отклонения от номинальной функции влияния температуры T на поправку для аппаратуры ИК могут быть нормированы в виде:



. (37)

Графически обе эти характеристики могут быть представлены в следующем виде (тонким пунктиром показаны наибольшие допускаемые отклонения от номинальной функции), рис. 15:

Рис. 15 Пример графического представления номинальной функции влияния фактора T на показания аппаратуры:

1 - номинальная (жирная); 2 - реальная (пунктирная кривая).

2. Граничные функции (условно - верхняя и нижняя) влияния фактора на показания аппаратуры - зависимость допускаемых изменений показаний от влияющего фактора. Эта характеристика нормируется, если невозможно нормировать номинальную функцию влияния из-за отсутствия закономерности изменения поправки от влияющего фактора для разных экземпляров однотипной аппаратуры, но возможно измерение самого влияющего фактора. Например, температура в скважине известна на любой глубине и поэтому данная характеристика нормируется для большинства типов скважинной геофизической аппаратуры и является ограничением для индивидуальных функций влияния на поправку, полученных для конкретных экземпляров аппаратуры данного типа.

На рис. 16 обе граничные функции влияния представлены в виде пересекающихся линий, показанных пунктиром.

Рис. 16. Пример графического представления граничных функций влияния фактора T на показания СИ.

Экспериментально построенная реальная функция влияния температуры T не выходит за пределы пунктирных линий. Это означает, что по результатам контроля температурной погрешности следует сделать вывод о её годности.

По своему проявлению такая составляющая погрешности для совокупности однотипной аппаратуры носит случайный характер.

При нормировании граничной функции влияния погрешность не может быть исключена из измеренного значения параметра, если не определена реальная функция влияния на поправку.

Обе граничные функции влияния чаще всего бывают симметричными относительно оси абсцисс и в аналитическом виде могут быть представлены формулой:



, (38)

где N₀ - значение влияющего фактора, соответствующее нормальным условиям измерений.

Например, влияние температуры Т на абсолютную погрешность аппаратуры с фокусировкой тока при измерении удельного электрического сопротивления может быть нормировано следующими границами:

. (39)

3 Наибольшие допускаемые изменения показаний в интервале изменения влияющей величины - нормируется в тех случаях, когда не представляется возможным измерять значения влияющего фактора или само влияние вносит незначительную составляющую в общую погрешность измерений.

Эта характеристика отражает случайный характер данной составляющей погрешности для совокупности однотипной аппаратуры и нормируется практически для всех типов скважинной аппаратуры при контроле влияния изменения напряжения или тока питания.

Например, напряжение электрического тока на буровой меняется случайным образом в широких пределах (например, от 180 В до 260 В), поэтому данное влияние для скважинной геофизической аппаратуры не целесообразно нормировать номинальной или граничными функциями влияния.

Следует заметить, что даже при наличии индивидуальной функции влияния изменения напряжения питания на погрешность, полученной для конкретного экземпляра аппаратуры данного типа, не представляется возможным выполнить коррекцию этой погрешности из-за отсутствия информации о значении напряжения питания в момент выполнения измерений в скважине.

Обе границы наибольших допускаемых изменений показаний в интервале изменения напряжения питания чаще всего бывают симметричными и в аналитическом виде могут быть представлены одним числом, например:

. (40)

Графически эти характеристики могут быть представлены двумя прямыми линиями, параллельными оси напряжений питания, рис. 17.

Рис. 17 Пример графического представления наибольших допускаемых изменений абсолютной погрешности аппаратуры в интервале изменения напряжения U.

Реальная функция влияния пересекает ось абсцисс в точке номинального напряжения 220 В. Реальная функция влияния напряжения питания на показания аппаратуры на рис. 17 изображена тонкой кривой линией. Она не пересекается с нормированными пределами, что свидетельствует подтверждение соответствия аппаратуры установленным требованиям, регламентирующим реакцию скважинной аппаратуры на изменение напряжения питания на буровой.



9.5 Классы точности

Иногда для средств измерений устанавливают класс точности, который отражает его суммарную погрешность в нормальных (иногда в рабочих) условиях применения и гарантирует ее с вероятностью 1.

Класс точности - обобщенная характеристика данного типа средств измерений, отражающая их уровень точности и выражаемая точностными характеристиками средств измерений. Класс точности обычно обозначается числом или символом, принятым по соглашению.

Для установления классов точности применяются общие правила, изложенные в ГОСТ 8.401-80 "Классы точности средств измерений. Общие требования". Класс точности прибора выражается в основном пределами допускаемой основной приведенной или относительной (реже абсолютной) погрешности.

Если погрешность прибора носит аддитивный характер (не зависит от измеренного значения), то класс точности выражается в форме приведенной (или абсолютной) погрешности. Для мультипликативного характера погрешности используется двухзвенная форма относительной погрешности.

Обычно класс точности выражается одним числом (например, 0,5 или 2), которое означает погрешность в %, приведенную к верхнему пределу В_в . Это максимально возможная погрешность, которая может возникнуть при правильном применении СИ в самом худшем случае. Ее значение в абсолютных единицах по классу точности (? в %) приходится вычислять по формуле:

. (41)

Иногда класс точности выражают относительной погрешностью, которая на приборе обозначается цифрой в окружности, или формулой (30), а точнее ее коэффициентами с и d. Например, обозначение класса "2/0,01" означает c = 2% и d = 0,01. Чтобы вычислить значение погрешности в абсолютных величинах, необходимо подставить показания (В_изм) прибора в формулу (30), вычислить относительную погрешность в %, разделить на 100 % и умножить на показания В_изм.

Класс точности в форме пределов допускаемой основной абсолютной погрешности на приборе обозначается символом "М".

10. Методика измерений

10.1 Методика как нормативный документ

Измерения должны выполняться в соответствии с аттестованными методиками [1], на которые распространяется ГОСТ 8.563-96 "ГСИ. Методики выполнения измерений".

Следует заметить, что более 99,9% всех выполняемых в мире измерений относятся к техническим измерениям, когда погрешности измерений определены заранее нормированными пределами при вероятности 1 и нет необходимости их вычислять. Часто в простейшем измерительном процессе ограничиваются однократным измерением в соответствии с руководством по применению СИ (отсутствует необходимость в статистической обработке измеренных значений) и отдельная МИ не требуется.

Документально планируемый измерительный процесс регламентируют утвержденной методикой измерений параметра модели реального объекта в реальных условиях. Ранее, до вступления в силу Закона № 102-ФЗ, она называлась "методикой выполнения измерений" (МВИ).

Методика измерений - установленная логическая последовательность операций и правил при измерении, выполнение которых обеспечивает получение результата измерений в соответствии с принятым методом измерений [22].

В Законе № 102-ФЗ дана иная формулировка: "Методика (метод) измерений - совокупность конкретно описанных операций, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с установленными показателями точности". Из этого определения видно, что законодательно закреплено требование указывать в результате измерений показатели точности (например, погрешность), которые нормированы или приписаны данной МИ, а также погрешности, оцененные в соответствии с данной МИ. Видно также, что "методика измерений" - это текстовый нормативный документ, описывающий совокупность конкретных операций.

Аттестация МИ - исследование и подтверждение соответствия МИ установленным метрологическим требованиям к измерениям.

10.2 Назначение методики измерений

В соответствии с основным уравнением измерений (формула 5) основное назначение методики измерений заключается в описании последовательности операций, дающих возможность получить:

1) наиболее вероятное измеренное значение, приписываемое измеряемой величине;

2) обоснованные показатели неопределенности измерений, позволяющие объективно оценить качество выполненных измерений.

При выполнении многократных измерений в качестве измеренного значения обычно принимают среднее арифметическое показаний после добавления к нему всех предусмотренных поправок.

В качестве показателей неопределенности иногда целесообразно указывать обе (и систематическую и случайную) составляющие погрешности в виде СКО или доверительного интервала (например, для эталонов). В других случаях ограничиваются суммарной погрешностью в виде СКО или доверительного интервала.

Если по условиям измерений предусматривается дальнейшее сравнение результата измерений с каким-либо граничным или контрольным значением, то в МИ должна быть предусмотрена возможность вычисления доверительного интервала для очень высокой вероятности, включая 1.

Иногда показатели точности не вычисляют, а сразу в результате измерений указывают норму погрешности при вероятности 1 или приписанную погрешность при вероятности менее 1, регламентированной конкретной МИ. Однако все же рекомендуется каждый раз вычислять реальную погрешность измерений и сравнивать ее с нормой, чтобы быть уверенными в том, что реальная погрешность не превышает допускаемую.

10.3 Основные этапы разработки

При выполнении лабораторных измерений различают три стадии измерительного процесса: постановка измерительной задачи; планирование и подготовка измерений; выполнение измерений - измерительный эксперимент.

В зависимости от сложности измерительного эксперимента, используемого эталона или опорного значения величины, а также степени разброса измеренных значений создаются разные МИ: 1) с представлением погрешности при незначительном разбросе измеренных значений; 2) с представлением показателей прецизионности (сходимости и воспроизводимости) при значительном разбросе измеренных значений.

Причем МИ первого типа часто являются отдельными составными частями МИ второго типа. В МИ второго типа (например, при измерениях состава и свойств веществ и материалов методами межлабораторного анализа) иногда отсутствует эталон и обработка измеренных значений выполняется преимущественно статистическими методами [3 - 8].

Основными этапами разработки МИ являются следующие:

1) назначение норм погрешности измерений;

2) обоснование модели объекта измерений и определение измеряемой величины (параметра модели);

3) выбор средства измерений; анализ источников неопределенности измерений;

4) формирование модели поправки к показаниям.

5) формирование модели погрешности измерений.

6) формирование исходных данных, необходимых для расчета погрешности измерений;

7) расчет составляющих погрешности измерений;

8) суммирование составляющих погрешности измерений;

9) сопоставление оценки погрешности с нормой погрешности измерений;

10) оформление текста стандартной МИ.

В тексте МИ дается описание модели объекта, указывается наименование измеряемого параметра модели объекта, принятого за измеряемую величину "по определению", и дается его словесное описание или приводится формула (алгоритм) для вычислений измеренного значения этого параметра модели объекта. Дается также полное описание технологии проведения экспериментальных работ, статистическая обработка измеренных значений и алгоритм вычисления погрешности выполненных измерений.

10.4 Требования к изложению

Документ на МИ должен содержать вводную часть и следующие разделы:

1) Требования к погрешности;

2) Методы измерений;

3) Средства измерений, вспомогательные устройства;

4) Требования безопасности, охрана окружающей среды;

5) Требования к квалификации оператора;

6) Условия измерений;

7) Подготовка к измерениям;

8) Выполнение измерений";

9) Обработка показаний СИ;

10) Оценка показателей точности измерений;

11) Оформление результатов измерений.

В разделе "Погрешности измерений" должны быть указаны нормы на допускаемые погрешности или приписанные погрешности, которым должны удовлетворять результаты измерений, получаемые при соблюдении всех требований данной МИ.

Раздел "Условия измерений" должен содержать требования к объекту измерений, номинальные значения влияющих величин, допускаемые отклонения от них и способы расположения СИ относительно объекта при их измерениях.

В разделе "Выполнение измерений" описывается последовательность, периодичность и количество считываний показаний (регистрации каждого значения измеряемой величины) и измеренных значений влияющих величин.

Раздел "Обработка показаний СИ" должен содержать способы определения поправок по имеющимся функциям влияния, получения среднего значения измеряемой величины и описание последовательности введения поправок к среднему значению показаний.

Раздел "Оценка показателей точности измерений" представляет собой инструкцию по оформлению отчета об оценке показателей неопределенности измерений, включая систематические и случайные составляющие погрешности, и должен содержать способы суммирования составляющих погрешности измерений, включая погрешности введенных поправок.

В разделе "Оформление результатов измерений" должна быть описана форма представления результата измерений с полной информацией о показателях точности измерений, включая информацию о доверительном интервале систематической погрешности и (или) СКО случайной погрешности выполненных измерений.

10.5 Референтная методика измерений

Иногда методика измерений принимается в качестве эталонной для других методик выполнения измерений. Ее называют "референтной методикой измерений". Слово "референтная" означает "исходная", то есть главная и наиболее точная.

Это "методика, принятая для получения результатов измерений, которые могут быть использованы для оценки правильности измеренных значений величины, полученных по другим методикам величины того же рода, а также для калибровки или определения характеристик стандартных образцов".

Выделяют также "первичную референтную методику измерений, которая используется для получения результата измерений без сравнения единицы величины того же рода" [22].

Референтную методику измерений, используемую для оценки показателей качества других МИ, можно рассматривать подобно эталону единицы величины в процессе поверки СИ, то есть определять поправку к измеренным значениям, полученным по аттестуемой методике.

Если одна и та же величина измеряется разными методами на основе разных принципов, то одна из этих методик может быть принята в качестве референтной.

Например, при измерении коэффициента пористости одного и того же водонасыщенного песчаного пласта горной породы, пересеченной скважиной, методика нейтронного каротажа может быть выбрана в качестве референтной для методик плотностного гамма-гамма-каротажа, акустического каротажа и электромагнитного каротажа.

10.6 Правильность и прецизионность

Иногда при выполнении лабораторных измерений возникает необходимость выделения "чисто" случайной составляющей погрешности выполненных многократных измерений, которая может быть выражена вычисленной оценкой среднего квадратического отклонения (СКО) случайного разброса измеренных значений (показаний).

Эту составляющую иногда называют стандартным отклонением, являющимся точечной оценкой разброса случайной величины, косвенно отражающего часть общей погрешности измерений - ее случайную составляющую.

СКО используется при описании случайной составляющей погрешности первичных эталонов или при измерениях на пределе чувствительности метода измерений, когда случайные погрешности преобладают над систематическими. Оценка СКО случайной погрешности при выполнении массовых технических измерений практически не используется.

Однако существует особая область массовых измерений параметров веществ и материалов методами лабораторного и межлабораторного анализа (методы аналитической химии, например), когда случайные составляющие погрешности существенно превышают систематические составляющие.

Аналитическая лаборатория условно рассматривается как СИ с набором методом и средств измерений. Основным документом, регламентирующим процедуры этих измерений является методика измерений (МИ или МВИ). При таких измерениях иногда отсутствуют эталоны единиц измеряемых параметров, погрешности оцениваются преимущественно статистическими методами, а поправки определяются сравнением с каким-либо принятым опорным значением.

Основные принципы и методы таких измерений регламентированы шестью международными стандартами от ГОСТ Р ИСО 5725-1-2002 до ГОСТ Р ИСО 5725-6-2002 [3 - 8], где основными показателями точности измерений являются "правильность" и "прецизионность". Термин "правильность" характеризует близость измеренного среднего арифметического к принятому опорному значению, а "прецизионность" - как обычно, степень близости измеренных значений друг к другу. Показателем правильности (смещения) обычно является поправка, вычисляемая как разность между опорным и средним арифметическим значениями, прецизионность оценивается СКО.

Эти стандарты распространяются на методики измерений по ГОСТ 8.563-96, способы оценки правильности и прецизионности и их применение при оценке качества (при аттестации) методик измерений, на оценку компетентности лабораторий (предприятий) в соответствии с требованиями ГОСТ Р ИСО 5725.

На разброс измеренных значений (по одной и той же стандартной методике) могут влиять: оператор; СИ и оборудование; калибровка; интервал времени между измерениями; загрязнение и влажность воздуха; температура. Возможно также различие самих исходных образцов проб, принимаемых как идентичные.

"Прецизионность" является общим термином для выражения разброса измеренных значений, которая в зависимости от условий измерений характеризуется "повторяемостью (сходимостью)" и "воспроизводимостью".

Сходимость - характеристика качества методики измерений, отражающая близость друг к другу (рассеяние) значений величины, многократно измеренной в одинаковых условиях (в условиях повторяемости: по одной и той же методике измерений; в одной лаборатории; одним оператором; одним и тем же СИ; с одинаковым интервалом).

Воспроизводимость - характеристика качества методики измерений, которая отражает рассеяние (близость друг к другу) измеренных значений величины в разных условиях (в различных лабораториях, разными средствами, разными людьми, в разное время).

Сходимость и воспроизводимость измерений выражаются СКО и представляют собой два крайних случая прецизионности - минимальный и максимальный разброс измеренных значений. Очевидно, воспроизводимость всегда больше сходимости, так как добавляется разброс измеренных значений за счет изменения самой измеряемой величины, изменения реакции СИ на изменения влияющих факторов, различий в квалификации специалистов и других причин.

"Воспроизводимость" может быть использована для характеристики разброса одной и той же единицы величины, воспроизводимой разными эталонами в одной или разных странах. Воспроизводимость служит показателем разброса измеренных значений разными аналитическими лабораториями. В геофизике, например, этот показатель характеризует разброс единицы коэффициента пористости или плотности горных пород, воспроизводимой разными однотипными стандартными образцами состава и свойств горных пород, пересеченных скважиной, в разных геофизических компаниях.

В аккредитованной лаборатории для аттестованной МИ могут быть нормированы пределы допускаемой сходимости и (или) воспроизводимости. Могут быть также регламентированы требования к правильности измерений по стандартной МИ.

Относительно использования СКО разброса измеренных значений в качестве характеристики качества методики измерений можно сделать следующее замечание. Оцененное значение СКО имеет смысл только для будущего однократно измеренного значения величины. Если измерения выполнены по стандартной методике, предусматривающей, например, 10 измеренных значений, то будет найдено среднее измеренное значение и ранее оцененное СКО теряет смысл, так как будет найдено уже СКО среднего значения по 10-ти измеренным. Поэтому при представлении результата лабораторных измерений рекомендуем пользоваться преимущественно оценками погрешности при доверительной вероятности 0,95.

Таким образом, МВИ параметров с большим разбросом измеренных значений помимо получения каждого из них содержит подробное описание методики их статистической обработки.

11. Измерения в неоднородных средах

11.1 Среды с плоскими и цилиндрическими границами

Как упоминалось выше, к основным понятиям метрологии относится понятие "величина" и "измеряемый параметр". Если физическая величина отражает свойство вещества предмета, то по умолчанию предполагается, что количественное содержание этого свойства в каждом элементарном объеме вещества предмета одинаково. Теоретические основы измерений параметров состава и свойств таких однородных объектов хорошо разработаны в общей метрологии.

Однако существуют слоистые среды, в которых возникает необходимость измерить параметры одного или нескольких отдельных слоев. Например, пласты горных пород, плоские материалы и трубопроводы с многослойным покрытием, ткани живых организмов и др.

Объекты скважинных геофизических измерений - пласты горных пород, пересеченные скважиной, не являются однородными по объему. Скважина после спуска колонны и ее цементирования также становится неоднородной. Многокомпонентный поток газожидкостной смеси в колонне добывающей скважины также неоднороден.

Измерения параметров состава и свойств пластов и скважин сопряжены с большими техническими проблемами, обусловленными необходимостью учета множества параметров отдельных структурных зон неоднородной среды.

Кроме того, особенностью скважинных измерений является то, что структура неоднородной среды часто заранее неизвестна и уточняется после выполнения измерений зондами различной конструкции на основе разных физических полей с использованием разных принципов измерений. Поскольку пласты горных пород пересечены скважиной, то типовые модели структуры такой среды представляет собой неоднородные структуры с плоскопараллельными и (или) коаксиально-цилиндрическими границами раздела.

Часто погрешности выполненных скважинных измерений могут быть оценены только после выполнения всех запланированных измерений с учетом ограничений применимости методики измерений. В ряде случаев измерения параметров пластов выполнить с гарантированной точностью принципиально невозможно.

Все эти особенности скважинных измерений определяют сложность обоснования и создания метрологических основ измерений параметров пластов геофизическими методами. К метрологическим основам измерений относятся методические разработки, позволяющие обоснованно вычислять погрешности выполненных измерений параметров пластов и скважин, обеспечивая единство скважинных геофизических измерений и сопоставимость их результатов.

Одна часть скважинных измерений параметров пластов в одной и той же скважине может рассматриваться как технические измерения, а другая - как лабораторные.

Техническими скважинные измерения следует называть тогда, когда условия измерений в скважине совпадают с условиями градуировки и погрешности заранее (до измерений) с учетом поправок определены. При этом измеряемый параметр по определению один и тот же при градуировке и при измерениях в скважине.

Скважинные измерения следует относить к "лабораторным" измерениям тогда, когда условия измерений в скважине отличаются от условий градуировки и границы погрешности вычисляются после измерений. При этом измеряемые параметры могут принимать кажущиеся значения, если скважинные условия отличаются по структуре и составу исследуемой среды от условий градуировки аппаратуры.

По масштабам проявления неоднородности свойств различают микронеоднородные и макронеоднородные среды. В зависимости от направления изменений свойств в пределах исследуемой среды различают: вертикальную, горизонтальную (радиальную) и азимутальную неоднородности.

На границах сред значения параметров могут изменяться плавно (зона проникновения, зона водонефтяного контакта) или скачкообразно (граница "скважина - пласт" или границы пластов).

В пределах исследуемой неоднородной среды отдельные зоны могут располагаться закономерно (глинистые прослои) или случайным образом (трещины, каверны).

Перечисленные разновидности и особенности неоднородностей обусловливают выбор размеров зондов скважинной аппаратуры и схемы построения методик геофизических измерений в целом.

Неоднородные среды описываются геометрическими и физическими параметрами. Геометрические параметры отражают структуру исследуемой неоднородной среды. К ним относятся линейные размеры структурных зон (толщины пластов и глинистой корки, диаметры скважины и зоны проникновения), а также параметры, характеризующие взаимное расположение отдельных структурных зон (углы пересечения оси скважины с границами пластов). К физическим параметрам относятся физические величины, отражающие свойства отдельных структурных зон (глинистой корки, зоны проникновения, пласта, вмещающих пород).

К особенностям измерений в неоднородных средах относят необходимость введения понятий "геометрический фактор" и "кажущееся значение величины".

11.2 Кажущееся значение величины

Измерения удельного электрического сопротивления пластов горных пород аппаратурой электрического каротажа основаны на "методе кажущихся сопротивлений". Этот метод зондирования позволяет выполнять измерения удельного электрического сопротивления (УЭС) пласта горной породы при наличии скважины и зоны проникновения. Поскольку среда в поле электрического зонда в скважине неоднородна, то показания аппаратуры не могут соответствовать измеренному значению УЭС ни скважины, ни зоны проникновения, ни пласта. Показания (регистрируемый сигнал) аппаратуры зависят как от параметров однородных структурных зон (пластов, скважины) макронеоднородной (слоистой) горной породы, так и от расположения источников и приемников поля относительно границ структурных зон (от разной длины однотипных зондов).

Поскольку сама физическая величина как объективная реальность не может быть кажущейся, то "кажущимся" следует называть лишь ее числовое значение на входе аппаратуры при измерениях этой величины в неоднородной среде при условии, что единица передана аппаратуре в однородной среде. Например, кажущееся значение удельного электрического сопротивления (_к) горной породы или кажущееся значение коэффициента пористости пласта при наличии глинистой корки.

Такой же подход был выбран при введении понятия "среднее значение измеряемого параметра". При этом конкретизируют алгоритм осреднения, например, "среднее арифметическое значение диаметра скважины", измеренное четырехрычажным каверномером.

Очевидно, что показания на выходе СИ зависят от расположения приемников естественного поля пассивного преобразователя относительно структурных зон или от расположения источников и приемников поля активного измерительного преобразователя относительно структурных зон среды.

Кажущимся значением измеряемой величины неоднородной среды называется значение, полученное путем прямых измерений или расчетным путем при фиксированном расположении источников и (или) приемников поля зонда относительно структурных зон неоднородной среды, в предположении, что искусственное поле создается (или естественное поле существует) и его параметры измеряются в условиях, которые были приняты при передаче единицы величины средству измерений от эталона [15].

Например, все зонды аппаратуры электрического каротажа градуируют для условий бесконечной однородной среды (без скважины), а измерения всегда выполняются в скважине, пересекающей пласты. Следовательно, выходной сигнал такой аппаратуры всегда соответствует кажущемуся значению величины. Кривая нейтронного каротажа вдоль оси разреза скважины часто представляет собой кривую кажущихся значений коэффициента пористости. Некажущимися измеренными значениями на этой кривой являются значения напротив тех пластов, в которых условия измерений по составу и структуре среды совпадают с условиями градуировки этой аппаратуры.

11.3 Методики скважинных измерений

Напомним, что "измерением" называется "совокупность операций, выполняемых для определения количественного значения величины". Значит, под скважинным (геофизическим) измерением следует понимать всю совокупность операций, выполняемых для определения значений измеряемых параметров каждого конкретного пласта, пересеченного скважиной, и параметров этой скважины в каждой конкретной точке вдоль оси скважины. Следует также различать прямые, косвенные, совместные и совокупные скважинные измерения [22].

К прямым относятся измерения параметров пластов и скважин, выполняемые с использованием номинальных или индивидуальных градуировочных характеристик скважинной аппаратуры и с введением всех предусмотренных поправок. Следует отметить, что процедура выделения пластов в разрезе скважины по каротажным кривым относится к прямым скважинным измерениям, так как при этом определяется количественное значение толщины каждого из выделенных пластов в единицах длины - в метрах.

Косвенно измеряются параметры пластов с использованием функциональных зависимостей (формул), в которых аргументами являются параметры, измеренные прямыми или другими косвенными методами. Например, к косвенным относятся измерения коэффициента нефтенасыщенности пласта через удельное электрическое сопротивление (УЭС) пласта и пластовой воды, а также коэффициент общей пористости пласта через плотность пласта, плотность твердого вещества (скелета) и плотность жидкой фазы. Видно, что "количественная геологическая интерпретация" - это не что иное, как косвенные измерения. Кстати, "подсчет запасов нефти" - это тоже косвенные измерения объема или массы нефти в залежи по результатам скважинных и площадных измерений [12], а вовсе не "подсчет".

К совокупным можно отнести измерения кажущихся значений УЭС градиент-зондами разной длины с последующим решением системы уравнений с целью измерения УЭС отдельных структурных зон - пласта, зоны проникновения и ее диаметра. Эта совокупность измерительных операций ошибочно называют "количественной геофизической интерпретацией".

...