Өлшеу қателіктерін бағалау, өлшеу қателігінің сипаттамаларын орнату

         Өлшем бірлігін қамтамасыз ету (ӨБҚ) дегеніміз – заңды актілерге сәйкес өлшем бірлігін қалпында ұстауға бағытталған, сондай-ақ мемлекеттік стандарттар мен басқа да өлшем бірлігін қамтамасыз ететін нормативтік құжаттармен бекітілген нормалар мен ережелер. 
        Өлшем бірлігін қамтамасыз етудің негізгі мақсаты – Қазақстан Республикасының эканомикасы мен халықтың құқықтарын дұрыс емес нәтижелер салдарынан сақтау болып табылады (Қазақстан Республикасының 4-ші бабының «Өлшем бірлігін қамтамасыз ету туралы» заңының формулировкасы туралы ойлансақ, ол салдардан емес, ол дұрыс емес нәтижелерінен сақтау).

«Өлшем бірлігін қамтамасыз ету туралы» заңы, Қазақстан Республикасының 2000 жылғы 7 маусымдағы  № 53-II Заңы.

 

      Осы Заң Қазақстан Республикасында өлшем бірлігін қамтамасыз етудің құқықтық, экономикалық және ұйымдық негіздерін белгілейді, мемлекеттік басқару органдарының, жеке және заңды тұлғалардың арасындағы метрологиялық қызмет саласындағы қатынастарын реттейді және азаматтардың құқықтары мен заңды мүдделерін, әрі Қазақстан Республикасының экономикасын өлшемнің теріс нәтижелері салдарынан қорғауға бағытталған.

 

          Қазақстан Республикасының мемлекеттік қамтамасыз ету жүесі (ҚР МӨЖ) бұл – Қазақстан Республикасындағы өлшем бірлігін қамтамасыз ету жөніндегі субъектілер, нормалар, құралдар мен әрекет түрлерінің мемлекеттік басқару жүйесі. 
         Өлшем бірлігін қамтамасыз ету жөніндегі әрекеттер және мемлекеттік басқару жүесін құру мен еңгізу үшін салмақты алғышарттар болды: 

•  
  біріншіден, өлшеу адам әрекетімен жасалған жаппай өнім болып табылады, және де еңбек қауіпсіздігі, қоршаған ортаны қадағалау, өнім қауіпсіздігі мен сапасын қадағалау, материалдық және энергетикалық құндылық ресурстарының есебі, ауруларды емдеу диагностикасы және т.б. қадағалау шарттары негізінде жыл сайын оларға деген сұраным өседі;

•  
  екіншіден, өлшем адам әрекетінің ең негізгісі болып табылады, және оның сапасының талаптары (яғни дәлдікті) үздіксіз өсіп отырады;

•  
  үшіншіден, халықаралық ынтымақтастықтың дамуы (сату, ғарышты танып білу жөнінде бағдарламаларды бірігіп зерттеу, медицина саласы, қоршаған ортаны қорғау) өлшеу нәтижелеріне өзара сенімділікті талап етеді.

 
             Өлшеу   мәліметтерінің   дұрыстығы  мен   нақтылығын   жоғарлату мәселесін  метрология  шешуі     керек,   және     халық   шаруашылығының  барлық     салаларында     қолданылатын       оның   нәтижелерінің   шешімі, мемлекеттік  шешу   мәселелерінің біріншісі болып қалады. 
 
           «Өлшеудің мәліметі» ұғымы – техникалық құралдарды қолдануымен, тәжіребиелі жолмен алынған құбылыстардың, процесстердің, өнімдердің, бұйымдардың, материалдар   қасиеттерінің өлшемдік сипаттамасы туралы кез-келген мәліметті қамтиды. 
        Өлшеу жолымен алынған мәлімет, халық шаруашылығының барлық дерлік басқару органдарының әрекетіне негізделген. Бірақ бұл өлшем бірлігінің шарты кезіндегі  өлшеу мәліметі (өлшеу нәтижесі) оның дәлдік көрсеткіш мәнінің бағалауы мен бекітілген бірлік түрінде берілсе ғана мүмкін. 
      Осының нәтижесінде өлшеу мәліметінің анықтау, қамтамасыз ету бірдейлігі    мен    дұрыстығына   бағытталған    метрологиялық    әрекет  өлшем   бірлігін қамтамасыз ету ретінде анықталады. 
      Өлшем бірлігін қамтамасыз етудің мемлекеттік жүесін еңгізер алдында ҚР метрологтары өзінің әрекеттерін өлшеу құралдары мен өлшемнің бірдейлігін қамтамасыз  ету жолымен   жүзеге асырылған, яғни олар нормаларға сәйкес келетін, мемлекетте бекітілген бірліктер мен олардың метрологиялық сипаттамаларда барлық градуировканы иеленуді қадағалайды. 
        ҚР МӨЖ-ні жасау мен еңгізу, метрология дамуындағы жаңа негізгі деңгейлер әкелуді болжады. Осылай алғаш рет салаға заңды түрде өлшеу нәтижелері мен метрологиялық қызмет процессінің әрекеті қосылып, оның өлшем бірлігін қамтамасыз ету негізінде өлшеу құралдары мен өлшемнің бірдейлігін қамтамасыз етудің мәні мен мақсаты өзгертіледі. Өлшем бірлігін қамтамасыз етудің мәніне, құрама бөлігі ретінде, өлшеу құралдары мен өлшеудің бірдейлігін қамтамасыз ету кіреді.

 

ҚР МӨЖ-ң негізгі міндеттеріне мыналар жатады:

 

• өлшем бірлігін қамтамасыз ету жөнінде оптималды басқару принціптер мен әрекеттерін дамыту;

•  
  шама бірліктер эталонды базасын құру мен жетілдіру;

•  
  метрология саласындағы негізгі терминдер мен анықтамаларды бекіту;

•  
  өлшем бірлігін қамтамасыз етудің нормативтік базасын құру мен жетілдіру;

•  
  метрология саласындағы ережелер, талаптар мен нормалармен бірге, халықаралық, мемлекетаралық, аймақтық және мемлекеттік ережелер, нормалар мен талаптардың оңтайлылығы;

•  
  өлшеу саласындағы информациялық қамтамасыз етілу.

 

ҚР МӨЖ объектілеріне мыналар: 

•  
  шама бірліктері;

•  
  шама бірлік эталондары;

•  
  өлшеу құралдары (ӨҚ);

•  
  өлшеу нәтижелері мен әдістерінің және өлшеу құралдарына талап қою;

•  
  өлшемді орындау әдістемесі (ӨОӘ);

•  
  нормативтік құжаттар (НҚ).

 

     ҚР-ң териториясындағы  міндетті   түрде  қолданылатын ҚР МӨЖ нормативтік   құжаты стандарттау, метрология және сертификаттау жөніндегі өкілетті орган бекітеді. 
     ҚР МӨЖ Қазақстан Республикасына қойылған талаптар бойынша өлшеу дәлдігі мен бірлігін қолдау және жетістіктеріне арналған, техникалық және нормативтік негізінің жиынтығы болып табылады. 
     ҚР МӨЖ-ні ұйымдастыру негізі ҚР-ң қызметі болып табылады.

 

 

3. Өлшеу қателіктері. Қателіктердің жіктелуі

 

Өлшеу құралдары мен нәтижелерінің сапасын, қателіктерін көрсете отырып, сипаттау қажет. “Қателік” деген ұғымды енгізу мыналар сияқты үш ұғымдарды анықтау және нақты шектеуді қажет етеді: өлшенетін физикалық шаманың шын және нақты мәні мен өлшеу нәтижесі. Физикалық шаманың шын мәні – берілген объектінің мөлшерлі түрдегі және сапасы  жағынан қасиетін бейнелейтін идеалды мәні. Ол біздің сана сезімімізге тәуелді емес, идеалды шама болып табылады. Тәжірибеде бұл абстракталы ұғымды “ақиқат шама” деген шамамен алмастырған жөн. Физикалық шаманың нақты мәні – бұл тәжірибеден алынған және мақсатқа сай сол бір керекті шын мәнге жақын шама болып табылады. Өлшеу нәтижесі - өлшеу жолымен алынған шаманың шын мәнін өзінше жуықтап бағалау.

“Қателік” деген ұғым “өлшеу нәтижесінің қателігі” және “өлшеу құралдарының қателігі” деген түсініктемелерден тұратын метрологияның ең маңызды мәселесі. Өлшеу нәтижесінің қателігі – ол өлшеу нәтижесі Х пен өлшенетін шаманың ақиқат (немесе нақты) мәні Q арасындағы айырымы:

 

D = X – Q                              (1.1)

Ол өлшенетін шама мәнінің анықталмау шегін көрсетеді. Өлшеу құралдарының қателіктері – ол ӨЖ көрсеткіштері мен өлшенетін ФШ-ның айғақты (немесе нақты) мәндері арасындағы аралықты көрсетеді. Ол берілген құралдар  арқылы жүргізілген өлшеу нәтижелерінің дәлділігін сипаттайды.

Бұл екі түсініктемелер бір-біріне едәуір жақын және бірдей белгілермен жіктеледі.

Әсер ету сипаты  бойынша қателіктер кездейсоқ, жүйелі, прогрестенуші және дөрекі (қате жіберу) болып бөлінеді.

Қателіктердің жоғарыда келтірілген анықтамаларынан олар қандай-да бір құраушылардан тұратыны тиіс екенін байқалмайды. Қателіктерді құраушыларға бөлу олардың көрсетілу сипатына қарай өлшеу нәтижелерін өңдеу қолайлығы үшін енгізілген. Метрологияның құрылу процесінде қателік тұрақты шама емес екені байқалды. Қарапайым талдау жолымен оның бір бөлігі тұрақты шама ретінде көрсетілетіні, ал екіншісі – алдын ала болжанбай өзгереді. Бұл бөліктерді жүйелі және кездейсоқ қателіктер деп атайды.

Кездейсоқ қателік – қандай да бір ФШ-ны бірдей жағдайларда ұқыпты түрде қайталап өлшеу кезінде кездейсоқ түрде (таңбасы мен мәні бойынша) өзгеретінөлшеу нәтижелерінің бір құрамы болып табылады. Мұндай қателіктер пайда болған кезде ешқандай заңдылыққа жүгінбейді, ол бірдей шамаларды қайталап өлшеу нәтижесінің кейбір шашырандысы түрінде алынады. Кездейсоқ қателіктерден біз құтыла да, жоя да алмаймыз, олар әрқашан да өлшеу нәтижелерінде болады. Кездейсоқ қателіктер кездейсоқ процесстер мен математикалық статистика теориясы негізінде ғана бейнеленуі мүмкін.

Кездейсоқ қателіктердә жүйелі қателіктен айырмашылығы, оны өлшеу нәтижесінен түзету жолы арқылы жоя алмаймыз, бірақ оларды бақылау санын жоғарлату жолымен азайтуға болады. Сондықтан да нәтижені өлшенетін шаманың шын мәнінен минималды аз ғана ерекшеленетін түрде алу үшін, қажетті шаманы тәжірибеде берілген мәндерді математикалық тізбекті өңдеу арқылы көп ретті өлшеу керек.

Жүйелі қателік – бірдей ФШ-ны кайталап өлшеу кезінде тұрақты түрде қалатын немесе ережелерге сәйкес өзгеретін өлшеу нәтижелерінің құрамы болып табылады. Оның ерекшелігі - олар алдын ала болжанып, табылады және осыған байланысты құраушы түзетпелерді енгізе отырып, толығымен жойыла алады.

Прогрестенуші (дрейфтік) қателік – бұл уақыт бойынша жәй өзгеретін, алдын ала болжанылмайтын қателік. Прогрестенуші қателіктердің ерекше қасиеттері:

· олар тек берілген уақытта ғана түзету арқылы көшіріле алады да, кейін алдын–ала болжанбай өзгере береді;

· прогрестенуші қателіктердің уақыт бойынша өзгеруі - тұрақсыз кездейсоқ прогресс, сондықтан да тұрақты кездейсоқ процесстердің жақсы өңделген терия негізінде тек белгілі ескертпелер арқылы беріледі.

Прогрестенуші қателік – бұл қателіктердің уақыт бойынша өзгеруінің тұрақсыз кездейсоқ процессі үшін спецификалық ұғым, ол кездейсоқ және жүйелі қателік ұғымдарына келтіріле алмайды. Бұлар тек тұрақты кездейсоқ процесстер үшін ғана сипатты. Прогрестенуші қателік тұрақсыз кездейсоқ процесстің ағынды математикалық күтілуінің уақыт бойынша тұрақсыздығымен қатар, оның  түрі мен дисперсиясының  таралу заңдылығында уақыт бойынша өзгеруі салдарынан туу мүмкін.

Дөрекі қателік (қате жіберу) – бұл өлшеу қатарына кіретін жеке бақылау нәтижесінде алынатын кездейсоқ қателік, ол берілген шарттарда осы қатардың басқа нәтижелерінен лезде ерекшелене алады. Олар, ереже бойынша, оператордың  қателігі немесе дұрыс емес әрекеттерінен (оның психофизиологиялық жағдайы, дұрыс есептемеуі, жазба немесе есептеуде кеткен қателіктер, аспаптарды дұрыс қоспауы немесе олардың жұмыс кезіндегі бөгеттер және т. б.) пайда болады. Қателіктің пайда болуының  себебі өлшеу жүргізу жағдайының аз уақытта лезде өзгеруі болып табылады. Егер қателіктер өлшеу процесінде пайда болса, олардан тұратын нәтижелер алып тасталады.

Қателіктерді өрнектеу тәсілдері бойынша оларды абсолютті, қатысты және келтірілген деп бөледі.

Абсолютті қателік формуласы бойынша жазылады және өлшенетін шаманың бірлігімен беріледі.  Дегенмен, ол өлшеу дәлдігінің көрсеткіші ретінде бола алмайды, өйткені, мысалы, Х = 100 болған кезде D = 0,05 өлшеудің жоғарғы дәлдігіне сәйкес, Х = 1 мм кезінде – төменгіге сәйкес келеді. Сондықтан да қатысты қателік деген түсініктеме енгізілген. Салыстырмалы қателік – абсолютті өлшеу қателігінің өлшенетін шаманың шын мәніне қатысы болып табылады:

 

d = D/Q = (X - Q)/Q                       (1.2)

 

Бұл өлшеу нәтижесінің берілген дәлділік сипаты ӨЖ қателіктерін мөлшерлеу үшін жарамайды, өйткені Q мәнін өзгерткен кезде Q = 0 кезіндегі шегіне шейін әртүрлі мәндерді қабылдайды. Осыған байланысты ӨЖ қателіктерін көрсету және мөлшерлеу үшін қателіктің тағы бір түрі – келтірілген қателік қолданылады.

Келтірілген қателік - ӨЖ-нің абсолютті қателігі барлық өлшеу аралығында немесе оның бір бөлігінде тұрақты болатын шартты түрде алынған QN мәніне жататын қатысты қателік:

 

g = D/QN = (X - Q)/QN                        (1.3)

 

Шартты түрде алынған QN мәнін мөлшерлеуші деп атайды. Көбінесе оның орнына берілген ӨЖ-нің жоғарғы өлшеу шегін алады, ол негізгі жағдайда “келтірілген қателік” ұғымының орнына пайдаланылады.

Пайда болу орнына байланысты қателіктерді аспапты, әдістемелі және субъективті деп ажыратады.

Аспапты қателік қолданылатын ӨЖ-нен туған. Кейде бұл қателікті аппаратты деп те атайды.

Өлшеудің әдістемелік қателігі мына жағдайлардан туады:

· өлшеу объектісінің алынған моделі оның өлшеу жолымен анық-талған қасиетін барабар көрсететін модельден ерекшеленгенінен;

· ӨЖ-ні қолдану тәсілдерінің әсерінен. Бұл мысалы, кернеуді ішкі кедергінің соңғы мәні арқылы  вольтметрмен өлшеу кезінде байқалады. Бұл жағдайда вольтметрді кернеу өлшейтін тізбек аймағына шунтирлейді, және ол вольтметр қосылғанға дейінгі мәнінен аз болады;

· өлшеу нәтижелерін есептейтін алгоритмдер (формулалар) әсерінен;

· қолданатын өлшеу құралдарының қасиеттерімен байланысы жоқ басқа факторлар әсерінен.

Әдістемелік қателіктің ерекше қасиеті, ол ӨЖ-де қолданылатын нормативті-техникалық құжаттамаларда көрсетілмейді, өйткені оларға тәуелді емес, олар әрбір нақты жағдайларда оператормен анықталады. Осыған байланысты оператор өзінің өлшейтін шамасын өлшеуге жататын шамалардан ажырата алуы тиіс.

 

 

4. Қателіктерді бағалау принциптері. Жүйелі қателіктерді алу және жою тәсілдері

 

Қателіктерді бағалау өлшеу нәтижелерінің дәлдігі жөніндегі объективті берілгендерді алу мақсатында жүргізіледі. Өлшеу нәтижесінің дәлділігі қателіктермен сипатталады. Өлшеу қателігі нақты математикалық модельмен сипатталады, ол модельді таңдап алу қателіктер жөніндегі априорлы ақпараттар мен  өлшеу кезінде алынған берілгендер арқылы дәлелденеді. Таңдап алынған модельдің көмегімен қателіктің сол бір қасиеттерінің мөлшерлі өрнектелуі үшін қолданылатын сипаттамалары мен параметрлері анықталады.

Қателіктердің сипаттамаларын нүктелі және интервалды деп бөлу қабылданған. Нүктеліге кездейсоқ қателіктің ОКА-сы (СКО) мен жүйелі қателіктің модулінің жоғарғы шегі жатады, интервалдыға  - өлшеу нәтижесінің анықталмаған шегі жатады. Егер осы шекаралар кейбір ықтималдылықтың жауабы ретінде анықталса, онда олар сенімді интервалдар деп аталады. Егер де қателіктің минималды мүмкін шегін, нақты жағдайда, сондай қателіктерді кездестіре алмасақ, онда олар шекті (шартсыз) интервалдар деп аталады.