Важнейшие метрологические понятия

В п.1.1 были приведены четыре фундаментальных метрологических понятия – понятие самой метрологии, ее предмета, понятие измерения и понятие единства измерений.

В настоящем разделе рассматриваются другие важнейшие понятия, используемые в метрологии и измерительной технике и относящиеся к ним термины и определения.

Здесь следует дать краткое пояснение тому, что авторы подразумевают под словом «термин» и словом «понятие». «Термины – слова или словосочетания, являющиеся точным обозначением предметов, явлений, свойств, отношений, процессов и др. в какой-нибудь специальной области производства, техники, науки, искусства, общественной жизни и др. Термин не только регистрирует понятие, но уточняет его и отделяет от смежных» (Большая Советская Энциклопедия). Термин можно рассматривать как обозначение, «этикетку» понятия. Термин – это прежде определенное слово, за которым закрепляется понятие, выраженное в развернутом определении. Понятия любой науки, в том числе и метрологии, складывались в условиях международного сотрудничества в течение многих десятков лет и смысл их развернутых определений является довольно общепринятым и устоявшимся. Другое дело – термины или обозначения понятия. Обозначения, а именно - слова, закрепляемые за тем или иным развернутым определением могут меняться. И метрологическая терминология в этом отношении особо показательна.

Как правило, термины документируются в стандартах. Отечественные документы на метрологическую терминологию разрабатывались, несмотря на значительные трудности, начиная с 30-х годов. Большой вклад в упорядочение отечественной метрологической терминологии внес заслуженный деятель науки и техники проф.С.Ф.Маликов. Под его руководством и при его непосредственном участии были подготовлены два стандарта по метрологическим терминам: ОСТ ВКС 7636 «Меры и измерительные приборы. Основные метрологические термины и определения» и заменивший его ГОСТ 3951-47 с аналогичным названием. В 1970 году ГОСТ 3951-47 был заменен на ГОСТ16263-70 «Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Термины и определения». В настоящее время действующим документом на метрологическую терминологию является РМГ 29-99 (Рекомендации по межгосударственной стандартизации) «Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Основные термины и определения» [25]. К моменту издания данного учебного пособия, в РМГ 29-99 должны быть внесены изменения, направленные на гармонизацию отечественной метрологической терминологии и международной метрологической терминологии. Основные изменения будут связаны с прямым применением в Российской Федерации с 2002 года международных метрологических стандартов ИСО 5725 –1-6-2002 «Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений» [12-17]. Подробнее вопрос прямого применения международных метрологических стандартов рассмотрен в п.5.5.

В дальнейшем изложении, при обозначении важнейших понятий использованы термины и определения, близкие к рекомендованным РМГ 29-99 [25], с учетом поправок, связанных с прямым применением международных метрологических стандартов. В тех случаях, когда использование того или иного термина не имело традиций в отечественной метрологической практике, а вызвано процессом гармонизации с международной метрологической терминологией, в тексте пособия даются соответствующие комментарии.

В настоящем разделе рассматриваются те понятия, которые являются важнейшими не только для метрологии, но и для других областей знаний и практической деятельности.

Понятия, термины и определения, не имеющие широкого значения, отнесены к соответствующим разделам учебного пособия.

Одним из важнейших общеметрологических понятий является понятие объекта измерения. Объектом измеренияявляется физическая величина – общее свойство в качественном отношении для физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта (КПД электростанций, напряжение в электросети и т.д.). В последнее время кроме физических величин в прикладной метрологии начали использовать и так называемые нефизические величины. Это связано с применением термина «измерение» в экономике, управлении качеством, банковском деле, информатике и т.п.

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). Эталонединицы 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 воспроизводимостьв 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. Поверкасредств 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.

Дата добавления: 2015-04-30