Лекции по "Метрологии"

Лекция 1

Основные понятия в метрологии

Слово «метрология» происходит от древнегреческих слов «метрон» и «логос», что в переводе означает «мера» и «учение». Таким образом, метрология – это наука об измерениях. Сегодня метрологию понимают как науку об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Основным терминам и определениям всегда уделялось достаточно серьезное внимание. Так, в 1970 г. был введен в действие ГОСТ 16263–70 «Метрология. Термины и определения». Развитие метрологии вызвало необходимость уточнить терминологию, учитывая при этом изданные за рубежом Международные терминологические словари. В 1994 г. был введен новый рекомендательный документ – методическая инструкция  МИ 2247-93 «Рекомендация. Метрология. Термины и определения», разработанный научно-производственным объединением «НПО ВНИИМ им. Д. И. Менделеева» (Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии).

Выход нового закона «Об обеспечении единства измерений» ознаменовал также некоторые уточнения понятий в метрологии.

Согласно с новым законом «Об обеспечении единства измерений» измерение - совокупность операций, выполняемых для определения количественного значения величины.

В «Международном словаре основных и общих терминов метрологии» понятие величина (измеримая) раскрывается как «характерный признак (атрибут) явления, тела или вещества, которое может выделяться качественно и определяться количественно».

Количественной характеристикой одного и того же  характерного признака (свойства) является мера. Меры физических свойств принято называть физическими величинами (ФВ), нефизических – нефизическими величинами (НФВ). В квалиметрии меры качества называют показателями качества.

Ранее под измеряемой величиной понималась только физическая величина, а сегодня - как физические, так и нефизические величины.

Физическая величина – одно из свойств физического объекта (физической системы, явления или процесса) общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта. Например, температура, масса, длина – свойство, общее в качественном отношении со многими физическими объектами, но индивидуальное для каждого.

Размер физической величины – количественная определенность физической величины, присущая конкретному материальному объекту, системе, явлению или процессу.

Значение физической величины – выражение размера физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единицах.

Числовое значение физической величины – отвлеченное число, входящее в значение величины.

Истинное значение физической величины – значение физической величины, которое идеальным образом характеризует в качественном и количественном отношении соответствующую величину.

Действительное значение физической величины – значение физической величины, найденное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному значению, что в поставленной измерительной задаче может быть использовано вместо него.

Физический параметр – физическая величина, рассматриваемая при измерении данной физической величины как вспомогательная.

К нефизическим величинам относятся вкус, запах, цвет, блеск, сила ветра и т.д. Их называют показателями качества. Показатели качества характеристики качества, общие в качественном отношении для различных видов продукции, товаров и услуг, но в количественном отношении индивидуальные для каждого. Например, к показателям качества продукции относятся:

- показатели назначения;

- показатели надежности;

- показатели технологичности;

- показатели унификации;

- патентно-правовые показатели;

- эргономические показатели;

- эстетические показатели;

- показатели транспортабельности;

- показатели безопасности;

- экологические показатели;

- показатели экономного  использования трудовых и материальных  ресурсов.

Единица величины - фиксированное значение величины, которое принято за единицу данной величины и применяется для количественного выражения однородных с ней величин.

Единство измерений - состояние измерений, при котором их результаты выражены в допущенных к применению в Российской Федерации единицах величин, а показатели точности измерений не выходят за установленные границы.

Средство измерений - техническое средство, предназначенное для измерений.

Методика (метод) измерений - совокупность конкретно описанных операций, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с установленными показателями точности.

Отметим, что метод измерений обусловлен целью измерения и в свою очередь определяет, как следует организовать взаимодействие средства измерений с объектом измерения  и каким образом извлечь из исходных и опытных данных требуемую информацию.

Объект измерения – тело (физическая система, процесс, явление и т.д.), которое характеризуется одной или несколькими измеряемыми величинами.

Он обладает многими особенностями (свойствами), находится в многосторонних и сложных связях с другими объектами. Человек не в состоянии представить себе объект целиком, во всем многообразии его свойств и во всех взаимосвязях. Поэтому взаимодействие человека с объектом – исследование или преобразование возможно лишь на основе модели объекта.

Модель объекта измерения -  теоретико-физическая и математическая конструкция, которая отражает свойства объекта, существенные для данной измерительной задачи.   

Результат измерения – значение величины, найденное путем ее измерения.

Погрешность результата измерения – отклонение результата измерения от истинного (действительного) значения измеряемой величины. Поскольку истинное значение величины неизвестно, то его применяют только в теоретических исследованиях. На практике же используют действительное значение величины, в результате чего погрешность измерения определяют по формуле:

                                ,                           (1)

где – измеренное значение величины;

 – действительное значение  величины.

Различают абсолютную и относительную погрешности измерения.

Абсолютной называется погрешность измерения, выраженная в единицах измеряемой величины.

Относительная погрешность измерения – отношение абсолютной погрешности измерения к действительному или измеренному значению измеряемой величины:

 

                                                                                          (2)

где – абсолютная погрешность измерения;

 – действительное или  измеренное значение величины.

Априорная информация – информация, которой владеют до измерения. При ее отсутствии измерение невозможно.

Апостериорная информация – информация, которой владеют после измерения.

Условие измерения – важный фактор, определяющий  состояние объекта и эффективность использования средства измерений.

Систематическая погрешность измерения – составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же величины.

Случайная погрешность измерения – составляющая погрешности измерения, изменяющаяся случайным образом при повторных измерениях, произведенных с одинаковой тщательностью, одной и той же величины.

Инструментальная погрешность измерения – составляющая погрешности измерения, обусловленная погрешностью применяемого средства измерения.

Погрешность метода измерений – составляющая систематической погрешности измерений, обусловленная несовершенством принятого метода измерений.

Субъективная погрешность измерения – составляющая погрешности измерений, обусловленная индивидуальными особенностями оператора.

Погрешность отсчитывания – составляющая погрешности измерения, происходящая от недостаточно точного отсчитывания показаний СИ.

Погрешность интерполяции при отсчитывании – составляющая погрешности отсчитывания, происходящая от недостаточно точного оценивания на глаз доли деления шкалы, соответствующей  положению указателя.

Погрешность от параллакса – составляющая погрешности отсчитывания, происходящая вследствие визирования стрелки, расположенной на некотором расстоянии от шкалы, в направлении, неперпендикулярном поверхности шкалы.

Влияющая величина – физическая величина, оказывающая влияние на размер измеряемой величины и (или) результат измерений.

Точность результата измерений – одна из характеристик качества измерений, отражающая близость к нулю погрешности результата измерения.

Прецизионность измерений – степень близости друг другу независимость результатов измерений, полученных в конкретных регламентированных условиях. Эта характеристика зависит только от случайных факторов и не связана с истинным или условно истинным значением измеряемой величины. Мерой прецизионности является стандартное (среднее квадратическое) отклонение результатов измерений, выполненных в конкретных условиях.

Крайними случаями регламентированных условий являются условия повторяемости и условия воспроизводимости. В отечественных нормативных документах вместо термина повторяемость используется термин «сходимость». Поэтому в дальнейшем будем говорить повторяемость (сходимость). Под условиями повторяемости понимаются условия, при котором независимые результаты измерений получаются одним и тем же методом на идентичных объектах испытаний, в одной и той же лаборатории одним и тем же оператором с использованием одного и того же оборудования, в пределах короткого промежутка времени. По сути это условия равноточных измерений.

Под условиями воспроизводимости понимают условия, при которых результаты измерений получают одним и тем же методом, на идентичных объектах испытаний, в разных лабораториях, разными операторами, с использованием различного оборудования. По сути это условия наравноточных измерений.

Поэтому экстремальными показателями прецизионности являются повторяемость (сходимость) и воспроизводимость.

Повторяемость (сходимость) измерений - близость друг к другу результатов измерений одной и той же величины, выполненных повторно одними и теми же средствами, одним и тем же методом в одинаковых условиях и с одинаковой тщательностью.     

Воспроизводимость измерений - близость результатов измерений одной и той же величины, полученных в разных местах, разными методами, разными средствами, разными операторами, в разное время, но приведенных к одним и тем же условиям измерений (температуре, давлению, влажности и др.).

Количественной характеристикой (мерой) повторяемости (сходимости) и воспроизводимости могут быть параметры, характеризующие рассеяние этих результатов измерений.

Параметрами рассеяния результатов измерений могут быть: размах, стандартное отклонение (среднее квадратическое отклонение, экспериментальное среднее квадратическое отклонение), доверительные границы, в которых лежит значение измеряемой величины.

Размахом называется оценка рассеяния результатов единичных измерений, образующих ряд (или выборку из измерений), вычисляемая по формуле:

,                                  (9.5)

где и - наибольшее и наименьшее значения в данном ряду измерений.

Достоверность – показатель качества, характеризующий степень уверенности в том, что значение измеренной величины находиться в указанных пределах.

Количественной характеристикой (мерой) достоверности могут быть доверительная вероятность или уровень доверия. Как известно, доверительная вероятность задается   в виде основного требования к качеству измерительной информации, т.е. является априорной информацией. Поэтому достоверность не является показателем качества измерений, а является одним из условий обеспечения единства измерений.

Условия измерения влияют на состояние объекта.  Изменяя состояние объекта, условия влияют на выделенную физическую величину и через нее – на измеряемую величину. Влияние условий измерений на СИ проявляется в изменении метрологических характеристик.

Отсутствие однообразия в выражении погрешности измерения в различных странах представляло определенные трудности в практической работе, в частности при анализе результатов международных сличений, что привело к пересмотру понятия погрешность измерения. Международное Бюро Мер и Весов (МБМВ) в 1981 г. одобрил идею отказа от понятия погрешность измерения. Вместо нее рекомендовано применять такой показатель, как неопределенность результата измерения.

В 1993 г. Международная организация по стандартизации (ИСО) издала «Руководство по выражению неопределенности измерения» под эгидой 7 международных организаций: МБМВ, МЭК, ИСО, МОЗМ, Международного союза по чистой и прикладной химии (JUPAC), Международного союза по чистой и прикладной физике (JUPAP), Международной федерации клинической химии (JFCC), фактически ставшим международным стандартом.