Материал: Н.Н. Акифьева. Метрология, стандартизация и сертификация

В зависимости от степени приближения результата измерения к объективности различают истинное, действительное и измеренное значения измеряемой физической величины.

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

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

Измеренное значение физической величины – это значение, полученное при измерении с применением конкретных методов и средств измерений.

Соотношение между истинным, измеренным и действительным значениями физической величины определяется следующими постулатами:

• истинное значение физической величины существует, однако определить его путем измерения невозможно;

• результат измерений стремится к истинному значению измеряемой величины с увеличением числа измерений.

Для оценивания качества измерений стандартами устанавливаются такое свойство измерений, как точность.

Точность – свойство измерений, отражающее близость их результатов к истинному значению измеряемой величины. Точность измерений определяется их погрешностью.

Погрешность ( )– это разность между результатом измерения и истинным (действительным) значением измеряемой физической величины.

(1.1)

где х_изм и х_д – измеренное и действительное значение измеряемой величины.

Погрешность указывает границы неопределенности значения измеряемой физической величины.

Следует отметить, что в отечественной метрологии точность и погрешность результатов измерений, как правило, определяются сравнением результата измерения с истинным или действительным (условно истинным) значением измеряемой физической величины, являющимися фактически эталонными значениями измеряемых величин. В условиях отсутствия необходимых эталонов, обеспечивающих воспроизведение, хранение и передачу соответствующих значений единиц величин, необходимых для оценки погрешности результатов измерений, и в отечественной, и в международной практике за действительное значение часто принимают общее среднее значение установленной совокупности результатов измерений. Эта ситуация закреплена применением в Российской Федерации с 2002 года нового международного метрологического термина – «принятое опорное значение» (accepted reference value) [12]. Принятое опорное значение – значение физической величины, которое служит в качестве согласованного для сравнения и получено как:

1. теоретическое или установленное значение, базирующееся на научных принципах;

2. приписанное значение, базирующееся на экспериментальных работах какой-либо национальной или международной организации;

3. согласованное значение, базирующееся на совместных экспериментальных работах под руководством научной или инженерной группы;

4. среднее значение заданной совокупности результатов измерений – лишь в случае, когда 1),2) и 3) недоступны.

Таким образом, согласно международной метрологической терминологии, точность – степень близости результата измерений к принятому опорному значению. Это международное определение точности не противоречит отечественному определению, когда точность является отражением близости к действительному значению, так как опорным значением может быть принято действительное (фактически эталонное) значение измеряемой величины.

Специальное техническое средство, хранящее единицу величины, позволяющее сопоставить измеряемую величину с ее единицей и имеющее нормированные метрологические характеристики, т.е. характеристики, влияющие на результаты и на точность измерений, называется средством измерения (СИ). Особое место среди средств измерения занимают меры и эталоны. Мера – это средство измерения, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера: гири, концевые меры длины, нормальные элементы (меры ЭДС). Эталон единицы величины – средство измерения, предназначенное для воспроизведения и хранения единицы величины с целью передачи ее другим средствам измерения данной величины.

Процесс измерения предполагает наличие как средства, так и метода измерения. Под методом измерений понимают специальный прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей.

В международной метрологической терминологии термин «метод измерения» (measurement method) [12] включает совокупность операций и правил, выполнение которых обеспечивает получение результата измерения с заданной точностью. Таким образом, международный термин «метод измерения» адекватен отечественному методика выполнения измерений (МВИ) и соответственно значительно шире по смыслу, чем определение термина «метод измерения» в РМГ 29-99. Далее в изложении термин «метод измерения» употребляется в международном определении (то есть как МВИ).

Точность может быть характеристикой как результата измерения, так и метода измерения, так и самого средства измерения. Как характеристика результата и метода измерения точность может быть представлена двумя свойствами результата измерения:

• правильностью;

• прецизионностью.

Эти термины отражают раздельное влияние на результат измерения систематических и случайных погрешностей.

Термины «правильность» (trueness) и «прецизионность» (precision) [12] в отечественных нормативных документах по метрологии до настоящего времени не использовались.

Правильность метода или результата измерения – степень близости результата измерений к истинному или условно истинному (действительному) значению измеряемой величины или в случае отсутствия эталона измеряемой величины – степень близости среднего значения, полученного на основании большой серии результатов измерений к принятому опорному значению. Показателем правильности обычно является значение систематической погрешности.

Систематическими называются погрешности, остающиеся постоянными или изменяющиеся по определенному закону при повторных измерениях одной и той же величины. Такая погрешность связана с каким- либо устойчивым фактором, например, с ошибкой в градуировке шкалы. После обнаружения и исследования фактора, вызывающего систематическую погрешность она может быть устранена или компенсирована при записи результата измерения. Таким образом, правильность – свойство измерений, отражающее близость к нулю систематических погрешностей. Результаты измерений правильны, когда они не искажены систематическими погрешностями.

Прецизионность – степень близости друг к другу независимых результатов измерений, полученных в конкретных установленных условиях. Эта характеристика зависит только от случайных погрешностей и не имеет отношения к истинному или установленному значению измеряемой величины.

Случайными называются погрешности, изменяющиеся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины. Случайная погрешность связана с многими факторами, например, с состоянием оператора или погодными условиями, многие из которых не поддаются изучению, следовательно, случайная погрешность неизбежна и неустранима. Ее влияние может быть компенсировано с помощью поправок, вычисляемых методами, основанными на положениях теории вероятности и математической статистики.

Независимые результаты измерений, используемые при определении показателей прецизионности – это результаты, полученные способом, на который не оказывает влияния никакой предшествующий результат, полученный при испытаниях того же самого или подобного объекта. Количественные значения показателей прецизионности существенно зависят от регламентированных условий, в которых получены выборки результатов измерений. Крайними случаями таких выборок являются условия «повторяемости» (repeatability) и условия «воспроизводимости» (reproducibility) [12].

Несмотря на то, что в отечественных нормативных документах по метрологии отсутствовал обобщающий термин «прецизионность», в них использовались термины повторяемость (сходимость) и воспроизводимость в близких к международным определениях. Однако, в отечественных определениях не были столь детально и конкретно, как это сделано в международных определениях, регламентированы условия проведения экспериментов по получению показателей повторяемости (сходимости) и воспроизводимости.

Условия повторяемости (сходимости): условия, при которых 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.

Условия воспроизводимости: условия, при которых результаты измерений получают одним и тем же методом, на идентичных объектах испытания, в разных лабораториях, разными операторами с использованием разного оборудования.

Необходимо отметить, что на практике далеко не всегда удается четко разграничить систематические и случайные погрешности. Особые трудности представляет выделение систематических погрешностей. Следует считать, что ряд систематических по своей природе погрешностей мы не знаем и даже не подозреваем об их существовании В связи с этим систематические погрешности, не изученные и даже некоторые заведомо известные, но не поддающиеся учету и компенсации, иногда причисляют к случайным. Поэтому среди характеристик точности нет понятий, строго отражающих систематическую и случайную составляющие общей погрешности. Термины правильность и прецизионность указывают скорее на способы обработки результатов с целью получения этих составляющих общей погрешности, чем на природу самой составляющей погрешности. Связь с природой составляющих общей погрешности следует из рассмотрения самих процедур получения характеристик правильности и прецизионности.

Приведем еще три общеметрологических понятия, необходимые для дальнейшего изложения основ метрологии. Это понятия «метрологической службы», «поверки средств измерения» и «аттестации методик выполнения измерения»

Обеспечение единства измерений реализуется метрологическими службами. Метрологическая служба – совокупность субъектов деятельности и видов работ, направленных на обеспечение единства измерений, иначе говоря, организация, отдельное предприятие или отдельное структурное подразделение, на которое возложена ответственность за обеспечение единства измерений. Это может быть государственная метрологическая служба, метрологические службы государственных органов управления Российской Федерации и метрологические службы юридических лиц. Подробно о государственных и негосударственных органах метрологической службы в п.5.

Основной вид деятельности метрологической службы – поверка средств измерений и аттестация методик выполнения измерений. Поверка средств измерений – это установление пригодности СИ на основании экспериментально определяемых метрологических характеристик и подтверждения их соответствия установленным обязательным требованиям. Аттестация методик выполнения измерений – процедура установления и подтверждения соответствия МВИ предъявляемым к ней метрологическим требованиям.

1.3Классификация измерений

Как уже отмечалось, предметом метрологии является измерение, а именно, нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств, называемых измерительными средствами. Разнообразие измерительных задач, измерительных средств и методов приводит к значительному разнообразию видов измерений. Приведем классификацию видов измерений, позволяющую представить это разнообразие в определенной системе.

Произведем классификацию измерений по следующим признакам:

• по способу получения числового значения измеряемой величины;

• по методу сравнения измеряемой физической величины с единицей этой величины;

• по отношению к изменению во времени измеряемой величины;

• по отношению к числу наблюдений физической величины в процессе измерения;

• по метрологическому назначению.

По способу получения числового значения измеряемой величины все измерения делятся на прямые, косвенные, совокупные и совместные.

Прямые измерения – измерения, при которых значения величины находят непосредственно по показаниям средств измерения. Прямые измерения заключаются в экспериментальном сравнении измеряемой величины с мерой этой величины или в отсчете показаний средства измерения, непосредственно дающего значение измеряемой величины. Простейшими примерами прямых измерений являются измерения длины линейкой, температуры – термометром, объема жидкости – мерником и т.д.

Прямые измерения – основа более сложных видов измерений.

Косвенные измерения – измерения, при которых значение величины находят по известным физическим зависимостям на основании прямых измерений других величин (измерение расхода среды, плотности теплового потока и т.д.).

Находить значения некоторых величин легче и проще путем косвенных измерений, чем путем прямых. А для некоторых величин существует только путь косвенных измерений. Например, плотность твердого тела можно только расчитать по результатам измерений объема и массы.

Совместными измерениями называют производимые одновременно (прямые или косвенные) измерения двух или нескольких неодноименных величин. Целью совместных измерений является установление функциональной зависимости между величинами (например, зависимость сопротивления проводника от температуры; зависимость линейных размеров тела от температуры и т.п.).

Совокупные называются измерения, в которых значения измеряемых величин находят по данным повторных измерений одной или нескольких одноименных величин при различных сочетаниях значений этих величин. Результаты совокупных измерений находят путем решения системы уравнений, составляемой по результатам нескольких прямых измерений.

По методу сравнения измеряемой физической величины с единицей величины (эта классификация касается только прямых измерений) измерения можно разделить примерно на шесть групп.

Измерения, производимые методом непосредственной оценки – значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора (измерение температуры ртутным термометром, измерение давления пружинным манометром, взвешивание грузов на циферблатных весах и т.п.).

Измерения, производимые методом сравнения с мерой – измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой (измерение объема жидкости мерным сосудом, измерение массы рычажными весами и т.п.).

Измерения, производимые дифференциальным методом – сравнение с мерой, при котором на измерительный прибор действует разность измеряемой величины, и известной величины, вопроизводимой мерой (измерения с помощью компараторов).

Измерения, производимые нулевым методом - сравнение с мерой, когда результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля (измерение сопротивления мостом или измерение э.д.с. потенциометром). При сравнении нулевого и разностного методов, можно отметить их значительное сходство. Так если в разностном методе измеряется разность между двумя величинами, то в нулевом эта разность приводится к нулю.

1.4Обеспечение единства измерений в Российской Федерации

Регулирование отношений, связанных с обеспечением единства измерений в развитых странах является государственной задачей, решаемой с помощью государственных органов в соответствии с государственными законами.

Регулирование отношений, связанных с обеспечением единства измерений в Российской Федерации, в соответствии с Конституцией Российской Федерации осуществляется Законом «Об обеспечении единства измерений» [19] и принимаемыми в соответствии с ним актами законодательства Российской Федерации.

Настоящий Закон устанавливает правовые основы обеспечения единства измерений в Российской Федерации, регулирует отношения государственных органов управления Российской Федерации с юридическими и физическими лицами по вопросам изготовления, выпуска, эксплуатации, ремонта, продажи и импорта средств измерений и направлен на защиту прав и законных интересов граждан, установленного правопорядка и экономики Российской Федерации от отрицательных последствий недостоверных результатов измерений.

Государственное управление деятельностью по обеспечению единства измерений в Российской Федерации до реформы исполнительной власти, начавшейся после переизбрания Президента Российской Федерации в 2004г, осуществлял Комитет Российской Федерации по стандартизации, метрологии и сертификации (Госстандарт России). Постановлением Правительства Российской Федерации №294 от 17.06.2004г. до внесения изменений в законодательные акты РФ, управление деятельностью по обеспечению единства измерений осуществляет Федеральное агенство по техническому регулированию и метрологии.

Единство измерений на территории Российской Федерации обеспечивается следующей системой принципов и мер:

• установленным порядком применения единиц величин;

• установленным порядком применения эталонов единиц величин;

• установленным порядком применения средств измерения и методик выполнения измерений;

• метрологическим контролем и надзором, осуществляемым Федеральным агенством по техническому регулированию и метрологии через территориальные органы и подведомственные организации.

Если международным договором Российской Федерации установлены иные правила, чем те, которые содержатся в законодательстве Российской Федерации об обеспечении единства измерений, то применяются правила международного договора.

Согласно Закону «Об обеспечении единства измерений», в Российской Федерации в установленном порядке допускаются к применению единицы величин Международной системы единиц, принятой Генеральной конференцией по мерам и весам, рекомендованные Международной организацией законодательной метрологии.

Наименования, обозначения и правила написания единиц величин, а также правила их применения на территории Российской Федерации устанавливает Правительство Российской Федерации, за исключением случаев, предусмотренных актами законодательства Российской Федерации.

Правительством Российской Федерации могут быть допущены к применению наравне с единицами величин Международной системы единиц внесистемные единицы величин.

В качестве исходных для воспроизведения и хранения единиц величин используются Государственные эталоны единиц. С их помощью осуществляется передача размеров единиц величин всем средствам измерений данных величин на территории Российской Федерации.

Измерения осуществляются с помощью средств измерений - технических устройств, предназначенных для измерений. Средства измерений используются для определения величин, единицы которых допущены в установленном порядке к применению в Российской Федерации и должны соответствовать условиям эксплуатации и установленным требованиям.

Решения об отнесении технического устройства к средствам измерений и об установлении интервалов между поверками принимает Федеральное агенство по техническому регулированию и метрологии.