Понятие о метрологическом обеспечении

Измерительные установки и системы - это совокупность средств измерений, объединенных по функциональному признаку со вспомогательными устройствами, для измерения одной или нескольких физических величин объекта измерений. Обычно такие системы автоматизированы и обеспечивают ввод информации в систему, автоматизацию самого процесса измерений, обработку и отражение результатов измерений для восприятия их пользователем. Такие установки (системы) используют для контроля, например, производственных процессов.

Измерительные принадлежности - это вспомогательные средства измерения величин. Они необходимы для вычисления поправок к результатам измерений, если требуется высокая степень точности. Например, термометр может быть вспомогательным средством, если показания прибора достоверны при строго регламентированной температуре; психрометр - если строго оговаривается влажность окружающей среды. По метрологическому назначению средства измерений делят на два вида - рабочие средства измерений и эталоны. Рабочие средства измерений применяют для определения параметров (характеристик) технических устройств, технологических процессов, окружающих сред и др. Рабочие средства могут быть лабораторными, производственными, полевыми (для самолетов, автомобилей, судов). Каждый из этих видов рабочих средств отличается особыми показателями. Лабораторные средства измерений самые точные и чувствительные, а их показания характеризуются высокой стабильностью, производственные обладают устойчивостью к воздействиям различных факторов производственного процесса: температуры, влажности, вибрации, что может сказаться на достоверности и точности показаний приборов. Полевые работают в условиях, постоянно изменяющихся в широких пределах внешних воздействий.

Особым средством измерений  является эталон.

1.3.2 Классификация  эталонов

Эталон - это высокоточная мера предназначенная для воспроизведения, хранения единиц величин с целью передачи ее размера другим средствам измерений. От эталона единица величины передается разрядным эталоном, а от них рабочим средствам измерений.

Эталоны классифицируются на первичные, вторичные и рабочие. Первичный эталон - это эталон, воспроизводящий единицу физической величины с наивысшей точностью, возможной в данной области измерений на современном уровне научно-технических достижений. Первичный эталон может быть национальным (государственным) и международным.

Национальный эталон утверждается в качестве исходного средства измерений  для страны национальным органом  по метрологии. Международные эталоны  хранит и поддерживает Международное  бюро мер и весов (МБМВ). Важнейшая  задача деятельности МБМВ состоит в  систематических международных  сличениях национальных эталонов крупнейших метрологических лабораторий разных стран с международными эталонами, а также между собой, что необходимо для обеспечения достоверности, точности и единства измерений как  одного из условий международных  экономических связей. Сличению подлежат как эталоны основных величин  системы СИ, так и производных. Установлены определенные периоды  сличения, например, эталоны метра  и килограмма сличают каждые 25 лет, а электрические и световые - один раз в три года.

Первичному эталону соподчинены  вторичные и рабочие эталоны, размер воспроизводимой единицы  вторичным эталоном сличается с  государственным эталоном. Вторичные  эталоны (эталоны - копии) могут утверждаться либо Госстандартом страны, либо государственными научными метрологическими центрами. Рабочие эталоны воспринимают размер единицы от вторичных эталонов и, в свою очередь, служат для передачи размера менее точному рабочему эталону и рабочим средствам  измерений. Самыми первыми, официально утвержденными эталонами были прототипы  метра и килограмма, изготовленные  во Франции, которые в 1799 году были переданы на хранение в Национальный архив  Франции, поэтому их стали называть «метр архива» и «килограмм архива». За последние годы получены высокие  результаты точности и надежности эталонов, создаваемых на основе использования  квантовых эффектов, что позволяет  предположить возможность создания новых эталонов. Ученые полагают, что  квантовые эталоны можно будет  считать «вечными мерами», так как  способность воспроизведения единиц физических единиц у таких эталонов не подвержена влиянию внешних условий, географического местонахождения  и времени.

1.3.3 Критерии качества  измерений

Между качеством измерений  и качеством продукции существует непосредственная связь. Где качество измерений не отвечает требованиям  технологического процесса, нельзя ожидать  и высокого качества продукции. Проблемы обеспечения высокого качества продукции - это в значительной степени проблема измерений параметров качества материалов и комплектующих изделий, поддержания  заданных технологических режимов, т.е. измерения параметров технологических  процессов. Качество измерений - это  совокупность свойств состояния  измерений, обуславливающих получение  результатов измерений с требуемыми точностными характеристиками, в необходимом виде и в установленный срок. К основным свойствам состояния измерений относятся:

· точность результатов измерений;

· сходимость результатов  измерений;

· воспроизводимость результатов измерений;

· быстрота получения результатов;

· единство измерений.

Решение задачи обеспечения  качества измерений достигается  путем создания государственных  эталонов, «привязки» к ним производственных измерений и установления различных  метрологических правил и норм к  измерениям и средствам измерений. Если не соблюдается единство измерений, даже самые тонкие измерения проводимые с помощью правильно подобранных средств измерений не дадут необходимых результатов.

Единство измерений - это  состояние измерений, характеризующееся  тем, что их результаты выражаются в  узаконенных единицах, размеры которых  в установленных пределах равны  размерам единиц, воспроизводимых первичными эталонами, а погрешности результатов  измерений известны и с заданной вероятностью не выходят за установленные  пределы. Единство измерений основано на 4 основных принципах:

· результаты выражены в  узаконенных единицах;

· размер единиц, хранимых средствами измерений, равен размерам единиц воспроизводимых  первичными эталонами;

· погрешности результатов  измерений известны;

· погрешности измерений  не выходят за установленные пределы.

Без выполнения этих условий  невозможно добиться единства измерений. Наиболее важным условием обеспечения  единства измерений является «привязка» измерений к государственным  эталонам, что в соответствии со стандартами ИСО серии 9000 является обязательным в обеспечении качества продукции.

Качество измерений характеризуется  точностью, достоверностью, правильностью, сходимостью и воспроизводимостью измерений, а также размером допускаемых погрешностей.

Точность - это качество измерений, отражающее близость их результатов к истинному значению измеряемой величины. Высокая точность измерений соответствует малым погрешностям как систематическим, так и случайным.

Точность количественно  оценивают обратной величиной модуля относительной погрешности. Например, если погрешность измерений равна 10-6, то точность будет равна 106.

Достоверность измерений характеризует степень доверия к результатам измерений. Достоверность оценки погрешностей определяют на основе законов вероятностей и математической статистики. Это дает возможность для каждого конкретного случая выбрать средства и методы измерений, обеспечивающие получение результата, погрешности которого не превышают заданных границ с необходимой достоверностью.

Под правильностью  измерений понимают качество измерений, отражающее близость к нулю систематических погрешностей в результате измерений.

Сходимость - это качество измерений, отражающее близость друг к другу результатов измерений, выполняемых в различных условиях (в различное время, в различных местах, разными методами и средствами).

Погрешность измерений - это отклонение результата измерения от истинного (действительного) значения измеряемой величины. Погрешность измерений представляет собой сумму целого ряда составляющих, каждая из которых имеет свою причину. Можно выделить следующие группы причин возникновения погрешностей, связанных:

· с операцией настройки  средства измерений или со смещением  уровня настройки средств измерений  во время эксплуатации;

· с установкой объекта  измерения на измерительную позицию;

· с процессом получения, преобразования и выдачи информации в измерительной цепи средства измерения;

или обусловленных:

· внешними воздействиями  на средства и объект измерений (изменением температуры и давления, влиянием электрического и магнитного полей, вибрации);

· свойством измеряемого  объекта;

· квалификацией и состоянием оператора.

В зависимости от формы  выражения различают абсолютную и относительную погрешности  измерений.

Абсолютной называют погрешность измерений, выраженную в тех же единицах, что и измеряемая величина, например, 0,4 В; 2,5 мкм.

Относительная погрешность измерения представляет собой отношение абсолютной погрешности измерения к истинному значению измеряемой величины и выражается в процентах или долях измеряемой величины.

В зависимости от условий  и режимов измерения различают  статическую и динамическую погрешности.

Статической называют погрешность, не зависящую от скорости изменения  величины во времени. Динамической называют погрешность зависящую от скорости изменения измеряемой величины во времени. Динамической погрешностью средства измерения является разность между погрешностью средства измерений в динамических условиях и его статистической погрешностью, соответствующей значению величины в данный момент времени. В зависимости от характера проявления, возможностей устранения и причин возникновения различают систематическую и случайную погрешности.

Систематической называют составляющую погрешности измерений, остающуюся постоянной или закономерно изменяющуюся при повторных измерениях одной  и той же величины. Причинами возникновения  систематических составляющих погрешностей измерения являются:

· отклонение параметров реального  средства измерения от расчетных  значений, предусмотренных схемой;

· неуравновешенность некоторых  деталей средства измерений относительно их оси вращения, приводящая к дополнительному  повороту за счет зазоров, имеющихся  в механизме;

· упругая деформация деталей  средства измерений, приводящая к дополнительным перемещениям;

· погрешность градуировки  или небольшой сдвиг шкалы;

· износ рабочих поверхностей деталей средств измерений;

· усталостные изменения  упругих свойств деталей, их естественное старение;

· неисправности средства измерений.

Случайной называют составляющую погрешности измерений, изменяющуюся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины.

Случайная погрешность возникает  при одновременном воздействии  многих источников, каждый из которых  сам по себе оказывает незаметное влияние на результат измерений, но суммарное воздействие всех источников может оказаться достаточно сильным.

Грубые погрешности и  промахи возникают из-за ошибок или  неправильных действий оператора, а  также при кратковременных резких изменениях условий проведения измерений (вибрации, поступлении холодного  воздуха, толчке прибора оператором). Если грубые погрешности и промахи  обнаруживают в процессе измерений, то результаты, содержащие их, отбрасывают. Погрешности измерений определяются, главным образом, погрешностями  средств измерений. Различают погрешности  средств измерений в статическом, динамическом режимах их применения, инструментальные и методические. Инструментальные погрешности возникают вследствие недостаточно высокого качества элементов  средств измерений. Причиной возникновения  методических погрешностей служит несовершенство метода измерений.

Каждое средство измерений  работает в сложных, меняющихся во времени  условиях. Наряду с чувствительностью  к измеряемой величине средство измерений  имеет некоторую чувствительность и к не измеряемым, но влияющим величинам, например, к температуре, атмосферному давлению, ударам, вибрации, электрическим  и магнитным полям. При выполнении измерений в лабораторных условиях большинство влияющих величин может  поддерживаться в узких пределах их измерения. Такие, оговоренные в  нормативных и технических документах условия называют нормальными, а  суммарную результирующую погрешность, возникающую в этих условиях - основной погрешностью.

При эксплуатации средств  измерений на производстве возникают  значительные отклонения от нормальных условий, вызывающие дополнительные погрешности. В условиях производства дополнительные погрешности могут оказаться  больше основной.

Прогрессирующие погрешности - это погрешности, медленно изменяющиеся с течением времени. Они вызываются старением деталей средств измерений (резисторов, конденсаторов), деформацией механических деталей, усадкой бумажной ленты в самопишущих приборах. Особенностью этих погрешностей является то, что они могут быть скорректированы введением поправки лишь в данный момент времени, а далее вновь монотонно возрастать. Эти погрешности требуют непрерывного повторения коррекции. Основное свойство систематических погрешностей состоит в том, что они могут быть почти полностью устранены введением поправок. Например, погрешность градуировки, т.е. погрешность в положении делений, нанесенных на шкалу средства измерения, может быть устранена с составлением и использованием при измерении таблицы поправок на каждое деление.

Предел допускаемой погрешности  средства измерений - это наибольшая без учета знака погрешность  средства измерений, при которой  оно может быть признано и допущено к применению. Данное определение  применяют к основной и дополнительной погрешностям.

Важной задачей выполнения измерений является обнаружение  систематических погрешностей с  целью их исключения или учета. Под  исключением систематических погрешностей подразумевают уменьшение их до уровня незначительных случайных составляющих. Общими способами исключения систематических  погрешностей являются введение поправок и устранение источников их появления как до начала измерения, так и в процессе его. К специальным относятся способы: замещения, компенсации погрешности по знаку, противопоставления, симметричных наблюдений.

Наиболее экономичный  путь повышения точности средств  измерений - это метод коррекции  систематических погрешностей автоматическими  устройствами, используемые в большинстве  измерительных преобразователей. Эти  устройства производят автоматическую оценку возникающей погрешности  и вводят соответствующую поправку в результат измерения. Наиболее современным способом коррекции  является снабжение средства измерения  автоматической ЭВМ, обрабатывающей параметры  измерения и вычисляющей уже  скорректированные значения результатов  измерений.