ОСНОВНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ МЕТРОЛОГИИ

Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности измерения. Предметом метрологии является извлечение количественной информации о свойствах объектов и процессах с заданной точностью и достоверностью. Для получения этой информации необходимо проводить измерения, т.е. найти значение физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств, называемыми средствами измерения (СИ).

Основой науки метрологии является теоретическая метрология, занимающаяся – кроме всего прочего – теорией точности измерений. Раздел «Прикладная метрология» посвящен изучению вопросов практического применения результатов теоретических исследований в различных сферах деятельности. В разделе «Законодательная метрология» рассматриваются вопросы регулирования метрологической деятельности при помощи установления взаимосвязанных норм, правил, требований, а также вопросы регламентации и контроля со стороны государства, направленные на обеспечение единства измерений. В основе этой деятельности лежит Закон РФ «Об обеспечении единства измерений» от 27.04.93г. и другие акты, уточняющие основные положения этого закона.

Единство измерений – состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах величин и погрешности измерений не выходят за установленные границы с заданной вероятностью.

Основными задачами метрологии являются:

- разработка теории измерений и методов оценки погрешностей;

- установление единиц физических величин;

- разработка стандартных методов и средств измерений;

- создание образцовых средств измерения, в т.ч. государственных эталонов;

- надзор за приборостроением и эксплуатацией средств измерений;

- контроль за средствами измерений, в т.ч. их метрологическая поверка и калибровка.

Теоретическая метрология включает в себя несколько разделов:

- основные представления метрологии (понятия и термины, постулаты, учения о физических величинах, методы измерений);

- теория единства измерений (единицы физических величин, эталоны, передача размеров физических величин);

- теория построения средств измерений;

- теория точности измерений (теории погрешностей, точности средств измерения, измерительных процедур).

ЕДИНИЦЫ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Объектами измерений являются физические и нефизические величины. Физическая величина в общем случае может быть определена как величина, свойственная материальным субъектам, относящимся к естественным наукам (физике, химии, механике). К нефизическим величинам относятся такие, которые являются предметом изучения общественными науками (философия, экономика, и т.п.).

Физическая величина – свойство объекта измерения, в качественном отношении общее для многих физических объектов, а в количественном – индивидуальное для каждого. Свойство – категория, выражающая такую сторону объекта, которая обуславливает его различия или общность с другими объектами. Свойство – категория качественная. Для количественной характеристики используется понятие величины – свойства, которое может быть выделено среди других свойств и оценено тем или другим способом, в т.ч. количественно.

Основным уравнением измерения является:

,

где - качественная характеристика – размерность, - количественная характеристика – размер.

В результате получают значения физической величины .

Единица физической величины - это физическая величина фиксированного размера, условно равного единице и применяемого для количественного выражения однородных физических величин. Размер единиц физических величин устанавливается путем законодательного утверждения национальными метрологическими органами.

Совокупность физических величин, образованная в соответствии с принятыми принципами, когда одни величины принимаются за независимые, а другие являются их функциями, называется системой физических величин. Некоторые физические величины выбираются основными, а остальные, получаемые на основе известных уравнений, - производными.

Совокупность основных и производных единиц называется системой единиц физических величин. В РФ принята система СИ, основными единицами которой являются метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль, кандела. Эта система действует с 1.1.1982 г и имеет следующие преимущества:

- универсальность, т.е. охват всех областей науки и техники;

- унификация всех областей и видов измерений;

- возможность воспроизводить единицы с высокой точностью;

- уменьшение числа допускаемых единиц;

- единая система кратных и дольных единиц;

Для обеспечения единства измерений необходима тождественность единиц, что достигается путем точного воспроизведения и хранения установленных единиц физических величин и передачи их размеров применяемым средствам измерений. Воспроизведение единицы физической величины – совокупность операций по материализации единицы с наивысшей в стране точностью посредством государственного эталона или исходного образцового СИ. Передача размера единицы – это приведение размера единицы физической величины, хранимой поверяемым СИ, к размеру единицы, воспроизводимой эталоном, осуществляемое при их поверке или калибровке. Размер единицы передается «сверху вниз» - от более точных СИ к менее точным. Хранение единицы – совокупность операций, обеспечивающих неизменность во времени размера единицы, присущего данному СИ.

Одним из средств обеспечения единства измерений является эталон – СИ, предназначенное для воспроизведения и хранения единицы и передачи ее размера другим СИ, и утвержденное в качестве эталона в установленном порядке. Эталон должен обладать тремя свойствами: неизменностью (по времени), воспроизводимостью (возможность воспроизведения с наименьшей погрешностью), сличаемостью (сличение с эталоном других СИ).

Существует три вида эталонов:

- первичный – обеспечивает воспроизведение и хранение единицы с наивысшей в стране точностью;

- специальный – обеспечивает воспроизведение в особых условиях;

- государственный – официально утвержденный в качестве исходного для страны;

- вторичный – хранит размер единицы, полученный путем сличения с первичным эталоном. Вторичные эталоны делятся на эталоны – копии, эталоны сравнения, эталоны – свидетели, рабочий эталон, служащий для передачи размера единицы рабочим СИ.

В России существует 114 государственных эталонов и более 250 вторичных эталонов. Они хранятся во ВНИИМ им. Менделеева, ВНИИФТРИ, ВНИИ оптико-физических измерений, Уральском НИИ метрологии, Сибирском НИИ метрологии.

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Методы измерений – это прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерения.

По совокупности приемов использования принципов и СИ различают методы непосредственной оценки и методы сравнения. Сущность метода непосредственной оценки состоит в том, что значение измеряемой величины получают по показанию одного (прямые измерения) или нескольких (косвенные измерения) средств измерения, которые заранее проградуированы в единицах измеряемой величины или других величин, от которых она зависит.

Метод сравнения имеет несколько разновидностей, при которых измеряемая физическая величина сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой.

Дифференциальный метод. Измеряемая величина X сравнивается с величиной X_M, воспроизводимой мерой. О значении X судят по измеряемой СИ разности X = X - X_M и по известной величине X_M. В этом случае X = X_M + X.

Нулевой метод. Это разновидность дифференциального метода, отличающегося от него тем, что результирующий эффект сравнения двух величин доводится до нуля с помощью специального СИ – нуль – индикатором. В этом случае считается, что X = X_M.

Метод замещения. Он заключается в поочередном измерении СИ искомой величины и выходного сигнала меры, однородного с исходной величиной. Искомая величина определяется по отношению показаний СИ.

Метод совпадений. При этом методе разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, определяют, используя совпадения отметок шкал и периодических сигналов (измерение штангенциркулем с нониусом, измерение частоты вращения стробоскопом).

Кроме того, методы измерения различаются:

- по физическому принципу, положенному в основу измерения (энергетические, механические, магнитные и т.д.);

- по режиму взаимодействия СИ и объекта – статические и динамические;

- по виду измерительных сигналов – цифровые или аналоговые.

Измерение – последовательность действий, состоящая из ряда этапов:

1 этап. Постановка измерительной задачи (сбор данных, т.е. накопление априорной информации об объекте, формирование модели объекта, формирование уравнения измерения).

2 этап. Планирование измерения (выбор метода, определение требований к метрологическим характеристикам СИ, выбор СИ, выбор параметров измерительной процедуры).

3 этап. Измерительный эксперимент (взаимодействие СИ и объекта, сравнение сигналов и регистрация результата).

4 этап. Обработка экспериментальных данных (анализ информации, вычисление и внесение поправок, проведение вычислений, анализ и интерпретация результатов).

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ ПОГРЕШНОСТЕЙ

Погрешность – отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. Результат измерения является приближенной оценкой истинного значения, найденной путем измерения. В свою очередь, истинное значение – значение, которое идеальным способом отражало бы в количественном и качественном отношениях соответствующие свойства объекта измерения. Однако определить истинное значение невозможно, поэтому на практике его заменяют понятием действительного значения, т.е. значением, найденным экспериментальным путем и настолько приближающимся к истинному, что для данной конкретной цели может быть использовано вместо него.

Любые измерения характеризуются точностью, т.е. качеством измерения, отражающим близость его результата к истинному значению измеряемой величины. Мерой этой близости является величина погрешности:

X = X – Q,

где X – результат измерения, а Q – истинное (действительное) значение измеряемой величины.

По способу выражения погрешности измерения различаются на:

- абсолютную погрешность – разность между значением величины, полученным при измерении, и ее истинным значением, выраженная в единицах измерения величины;

- относительная погрешность – отношение абсолютной погрешности к истинному значению измеряемой величины:

Абсолютная погрешность не может служить оценкой точности измерения, т.к. одно и то же значение X для большей измеряемой величины будет показателем высокой точности, а для малой - низкой. Для характеристики точности измерений лучше подходит относительная погрешность СИ, т.к. при изменении его показаний будет изменяться и их относительная погрешность. В связи с этим при нормировании погрешностей СИ вводится их разновидность – приведенная погрешность.

Приведенная погрешность – это относительная погрешность, в которой абсолютная отнесена к номинальному значению, постоянному во всем диапазоне измерений:

,

Чаще всего в качестве Q_N принимается верхний предел измерений СИ.

По характеру проявления суммарная погрешность измерения разделяется на случайную, систематическую и грубую.

Случайная погрешность – составляющая погрешности измерения, изменяющаяся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины в одних и тех же условиях. Случайные погрешности неизбежны, неустранимы и всегда присутствуют в результате измерений. Поэтому их нельзя исключать введением каких либо поправок, но можно описать их вероятную модель методами математической статистики. При этом модель будет тем точнее, чем больше будет число измерений.

Систематическая погрешность – составляющая погрешности измерения постоянная по величине или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же величине в одних и тех же условиях. Эти погрешности могут быть выявлены, определены и исключены путем введения поправок или устранением источников возникновения этих погрешностей.

Грубая погрешность (промах, ошибка) – случайная погрешность результата отдельного наблюдения, которая для данных условий резко отличается от остальных результатов этого ряда. Они возникают из-за ошибок оператора или сбоев в питании приборов. Промахи можно обнаружить при измерении и их устранить, если результат явно отличается от остальных. В противном случае их выявляют только при помощи специальных критериев.

По зависимости абсолютной погрешности от значений измеряемой X величины различаются:

- аддитивные _а, не зависящие от измеряемой величины (рис. 1.1а);

- мультипликативные _м, которые прямо пропорциональны измеряемой величине (рис. 1.1б);

- нелинейные _н, имеющие нелинейную зависимость от измеряемой величины (рис. 1.1в).

Рис. 1.1

Зависимость абсолютной погрешности от значений Х измеряемой величины

а) – аддитивная ∆а;

б) – мультипликативная ∆м;

в) – нелинейная ∆н.

Эти погрешности применяют в основном для описания метрологических характеристик СИ.

По влиянию внешних условий на СИ различают основную и дополнительную погрешность СИ. Основной называют погрешность СИ, определяемую в нормальных условиях его измерения, оговоренных в нормативно-технической документации на данное СИ.

Дополнительной называют погрешность СИ, возникающую из-за отклонения внешних условий от нормальных.

ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТЕЙ

Оценка погрешностей производится с целью получения объективных данных о точности результата измерения. Погрешность измерения описывается определенной математической моделью, выбор которой обуславливается априорными (предварительными) сведениями об источниках погрешности, а также данными, полученными в процессе измерений.

Характеристики погрешностей принято делить на точечные и интервальные. К точечным относится среднеквадратическое отклонение случайной погрешности и предел сверху модуля систематической погрешности. К интервальным – границы неопределенности результата измерений. В том случае, если эти границы определяются некой доверительной вероятностью, то такой интервал называется доверительным.

Оценка погрешности может быть априорной (до измерения) и апостериорной (после измерения). Априорная оценка дает возможность обеспечения требуемой точности измерений, проводимых в заданных условиях выбранным методом с помощью конкретных СИ. Оно проводится для нормирования метрологических характеристик СИ, разработки методик выполнения измерений, выбора СИ для решения конкретной задачи измерения. Апостериорная оценка проводится для корректировки априорной, если требуется учесть индивидуальные свойства СИ.

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот...

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: