Основні цілі та завдання метрологічного забезпечення

Як приклади прояву таких похибок можна привести зважування на невідрегульованих терезах, або використання при зважуванні неточних різноважок, чи вимірювання часу секундоміром, що спішить (відстає) і т. ін.

Жодна фізична величина не може бути виміряна абсолютно точно. Томухвимне співпадає зхіст. Мірою відхилення хвимвідхістє абсолютна похибка вимірювання, а мірою точності вимірювання – відносна похибка.

Абсолютною похибкою вимірювання (Dх) називається модуль різниці між істинним значенням вимірюваної величини і результатом окремого вимірювання.

х =êхвим – хіст ê.

(2)

Відносною похибкою вимірювання (dx) називається відношення абсолютної похибки Dх до істинного значення фізичної величини х_іст:

x= ×100 %.

(3)

Остаточно результат проведеного вимірювання записують у вигляді:

х = хвим ± х.

(4)

Такий запис означає, що істинне значення вимірюваної величини лежить (див.рис.1.) в інтервалі:

	хвим –х хіст хвим+х.	(5)
	O X
	(xвим – x) хвим (xвим + x)

Рис.1

Точність вимірювань — це характеристика її якості, що відображає близькість результату вимірювання до істинного значення вимірюваної фізичні величини. Точність виражають оберненим значенням модуля відносної похибки:

Правильність вимірювання — це характеристика його якості, що відображає близькість до нуля систематичної похибки в його результаті. Якщо значення систематичної складової похибки Δ(х) відоме, то результат вимірювання можна виправити введенням поправки

Поправлення — значення фізичної величини, яке додається до результату вимірювання, щоб виключити систематичну похибку.

Поправлення підсумовують з значенням міри, показом вимірювального приладу тощо. Іноді замість поправлення значення фізичної величини користуються поправляльним множником k(х), який перемножують виміряну фізичну величину х, з метою вилучення з неї систематичної похибки, тобто для виконання умови

k (х)х = х - . (1)

Сукупними характеристиками точності та правильності вимірювань є їх відтворюваність і збіжність.

Відтворюваність вимірювань — це близькість результатів вимірювань сталої фізичної величини отриманих у різних умовах, різними методами, засобами вимірювань, експериментаторами незалежно від місця часу їх здійснення, тобто нерівноточних вимірювань, в яких систематична складова похибки стає випадковою.

Збіжністю вимірювань називають їх відтворюваність однакових умовах (рівноточні вимірювання).

Є ще термін роздільної (подільної) здатності ЗВТ як кількості вірогідно розрізнюваних значень вимірюваної фізичної величини, які вписуються в зону їх невизначеності в процесі вимірювань. Для такого означення терміну роздільної здатності ЗВТ визначають також ступінь вірогідності, з якою встановлюється зони невизначеності 2Δ(Х) похибок ЗВТ чи 2Δ(х) похибок результатів вимірювань (рис. 1), тобто значення гарантійної ймовірності Р, з якою визначають похибки. Зону невизначеності знаходять для сумарної похибки чи гарантійної похибки для заданого значення надійності Р. Роздільна здатність вимірювань є теоретичною характеристикою, яка залежить від точності та діапазону вимірювань.

Рис. 1 - Графічна інтерпретація роздільної здатності

В залежності від природи причин відхилення х_вим від х_іст всі похибки можна умовно поділити на систематичні, випадкові і промахи.

· Систематичні похибки. Особливістю систематичних похибок є те, що їх числове значення і знак відхилення (в більшу, чи в меншу сторону) від істинного значення фізичної величини регулярно повторюється від одного вимірювання до іншого або ж змінюється за певним законом. Ці похибки зумовлені недостатньою точністю приладу, його невідрегульованістю або несправністю, а також недосконалістю методів вимірювання.

· Випадкові похибки це відхилення вимірювальної величини, які не можна передбачити. Вони проявляються у розкиді відліків при повторних вимірюваннях, здійснених в аналогічних умовах. Випадкові похибки описує теорія випадкових явищ (теорія імовірностей).

· Грубі похибки або промахи – це надзвичайно великі похибки, найчастіше зумовлені неправильними діями дослідника. За величиною вони суттєво перевищують всі інші. Аналізуючи числові значення вимірювань, їх слід виявляти і відкидати.

Систематичні похибки в значній мірі спотворюють результати вимірів.

З іншого боку вони піддаються виявленню та вивченню з метою їх зменшений заданого рівня чи вилучення. В процесі виявлення систематичних похибок аналізують причини їх виникнення. Невилучені систематичні похибки тракту як їх центровані складові. Виявлення систематичних похибок полягає у вивченні нормативно-технічних документів на ЗВТ та умов здійснення вимірювального експерименту. Результативність цих робіт залежить від інформативно нормативно-технічної документації та кваліфікації експериментатора.

Універсальні методи виявлення систематичних похибок відсутні. Тому застосовують різні способи їх зменшення чи вилучення.

Наприклад, для виявлення прогресуючих систематичних похибок здійснюють 2n вимірювань фізичної велич X з незмінним розміром і знаходять

Тоді порівнюють обидва отримані результати. Їх нерівність свідчить, в заданому експерименті присутня систематична прогресуюча похибка. Різниця обох значень результатів містить інформацію щодо швидкості зміни прогресую систематичної похибки, але для її кількісного оцінювання цього недостатньо.

Якщо відомі значення та ознаки систематичних похибок, то їх вилучають введенням відповідних поправлень або встановленням та усуванням джерел виникнення. Для здійснення останнього способу необов'язковим є знання величин і знаків систематичних похибок, достатнім є знання причин їх виникнення.

Зважаючи на обмеженість точності ЗВТ роблять висновок, що повне вилучення систематичних похибок неможливе. Тому як підтвердження відсутності систематичної похибки заданого вимірювання приймають так звані критерії вилучення похибок.

Переважно результат вимірювання - це наближене число одиниць вимірювання певної фізичної величини з певною кількістю правильних цифр його значення.

В десятковому численні останні цифри результату вимірювання та похибки мають бути однакового десяткового розряду (сотні, десятки, одиниці, десяті, соті, тисячні частки одиниці тощо).

Систематичні похибки приймають за вилучені, якщо вони чи сума їх невилучених залишків не перевищують половини одиниці десяткового розряду, в якому стоїть остання цифра допустимої похибки вимірювання.

З врахуванням кількості n цифр Δ_д систематична похибка є вилучена, якщо

│ │≤ 0,05 Δ _D для n = 1 та ││≤0,005 Δ _D для n = 2

Тут значення допустимої похибки беруть за модулем, без врахування знаку.

До спеціальних способів вилучення систематичних похибок вимірювань відносять способи заміщення, компенсації похибок за знаком, протиставлення та спосіб симетричних спостережень.

1 Спосіб заміщення полягає в тому, що спочатку на вхід вимірювального приладу подають вимірювану фізичну величину X, а потім замінюють її фізичною величиною з таким відомим значенням х_д, з яким показ приладу залишається попереднім.

2 Спосіб компенсації похибки за знаком полягає в тому, що певну фізичну величину вимірюють двічі, але умови вимірювань змінюють так, щоб стала систематична похибка, яка підлягає вилученню (відома за походженням, але не відома за величиною), входила в результати вимірювань з протилежними знаками.

Спосіб компенсації похибки за знаком використовується для вилучення систематичних похибок, джерела яких мають направлену дію, наприклад, похибки, спричиненої впливом паразитних термоЕРС у вимірювальних колах постійного струму. Друге вимірювання виконують з протилежним напрямком струму, щоб змінився вплив знаку термоЕРС. Для вилучення впливу магнітного поля Землі на покази електровимірювального приладу перед другим вимірюванням його повертають на 180° у горизонтальній площині.

3 Спосіб протиставлення полягає в тому, що вимірювана фізична величина X двічі порівнюється зі зразковою, яка відтворюється мірою, причому перед другим порівнянням вони взаємно міняються місцями у вимірювальному колі. Результат вимірювання у вигляді середнього пропорційного між значеннями міри у першому та другому порівнянні зовсім не залежить від коефіцієнта передавання

4 Спосіб симетричних спостережень полягає в тому, що спочатку вимірюють одну фізичну величину X, потім через проміжок часу Δ t здійснюють повне або неповне її заміщення мірою з відомим значенням х_д і знову через проміжок Δ t вторюють вимірювання фізичної величини X (рис. 2).

Рисунок 2 -. Вилучення систематичних похибок способом симетричних спостережень

Вилучення грубих похибок з результатів вимірювань здійснюють за допомогою критерія аномальності результату вимірювань, за який приймають інтервал відносно центра розподілу на величину ±tσ. Якщо модуль похибки будь-якого результату вимірювань є більший від значення інтервалу розсіяння випадкової фізичної величини розміру tσ, , то таку похибку відносять до аномальних.

З цієї нерівності видно, що границі грубих похибок залежать від виду розподілу, обсягу добірки та величини встановленого гарантійного інтервалу.

Розрізняють декілька критеріїв оцінки грубих похибок.

Для нормального розподілу найпоширенішим є критерій Райта (±Зσ). Спочатку, на підставі добірки результатів вимірювань знаходять центр розподілу та оцінку СКВ, а потім результати, що відповідають нерівності приймають за грубі та вилучають з подальшого розгляду. Може статися так, що після вилучення знайдених грубих похибок для нових значень та S ще якісь результати попадають в категорію грубих. Та застосовувати критерій грубих похибок більше ніж один раз не рекомендують.

У разі відсутності визначених центра розподілу та СКВ результатів вимірювань рекомендують користуватись критерієм Смирнова згідно якого за умову наявності грубої похибки приймають

де t_β — табульований квантіль розподілу, що залежить від обсягу добірки та прийнятого рівня вагомості. Для обсягів добірки n ≥ 25, відомих генеральних середніх і СКВ критерій Смірнова встановлює більші границі для грубих похибок і відповідні квантілі розподілу t_β.

За критерієм Рамановського точкові центри розподілу результатів вимірювань визначають за умови нерівності

де t_β – коефіцієнт Стьюдента з заданою ймовірністю β та кількістю степенем свободі k = n – 1.

Підсумовування похибок — це знаходження характеристик сумарної похибки за характеристиками її складових. Його здійснюють в стадії проектування ЗВТ, в процесі застосування з врахуванням умов і режимів, під час непрямих вимірювань.

Застосовували два способи підсумовування похибок. За першим способом визначається так звана гранична похибка шляхом арифметично додавання модулів границь основної та додаткових похибок у вигляді

але він допустимий тільки для n ≤ 3, а для більших n він не виправдовує з точки зору теорії ймовірностей, тому що подія, яка полягає в одночасному збігу знаків і найбільших значень всіх складових, майже неймовірна навіть дії порівняно невеликих значень n. Вже для n = 10 ймовірність такої по становить Р = 10^-10

Другий спосіб ґрунтується на припущенні, що всі складові є випадковими незалежними похибками з нормальним розподілом і зводиться до визначення практично граничної похибки шляхом геометричного додавання границь допустимих похибок за формулою

Для таких припущень і за умови, що допустимі границі складових похибо визначені з однаковою гарантійною ймовірністю, на підставі формули (див. формули) визначають середньоквадратичне відхилення похибки

Обидва способи дають завищене оцінювання, причому другий дещо кращий, тому що але запас ще надто великий.

Вони не враховують можливостей підсумовування систематичних похибок і кореляційних зв'язків між складовими, причому вони придатні в окремих випадках, як вже зазначено, для n < 3.

5 Метрологічне забезпечення

Сучасний етап розвитку України характеризується зростанням потоків інформації в усіх сферах діяльності, а успіхи науки впливають на темпи її соціального та економічного розвитку. В цьому процесі важливу роль відіграє вимірювальна інформація, яка забезпечує кількісну оцінку рівня якості продукції, стану технологічних процесів, характеристик обладнання тощо. Вирішення важливих науково-технічних та народногосподарських завдань з випуску якісної продукції значною мірою залежить від єдності вимірювань у державі.

Основою забезпечення єдності вимірювань є метрологічна діяльність, яка пов'язана із створенням та постійним удосконаленням метрологічного забезпечення.

Метрологічне забезпечення (МЗ) – це встановлення та застосування метрологічних норм та правил, а також розроблення, виготовлення та використання технічних засобів, необхідних для досягнення єдності та потрібної точності вимірювань.

• підвищення якості продукції, ефективності управління виробництвом і рівня автоматизації виробничих процесів;

• забезпечення взаємозамінності деталей, вузлів та агрегатів, створення необхідних умов для кооперування виробництва і розвитку спеціалізації;

• підвищення ефективності науково-дослідних експериментально-конструкторських робіт та випробувань;

• забезпечення достовірності обліку і підвищення ефективності матеріальних цінностей і енергетичних ресурсів;

• підвищення рівня автоматизації управління транспортом і безпеки його руху;

• забезпечення високої якості і надійності зв'язку. Держспоживстандарт України відповідно до Закону України "Про метрологію та метрологічну діяльність", проводить технічну політику по забезпеченню єдності вимірювань шляхом реалізації таких основних заходів:

• організація і проведення фундаментальних досліджень у галузі метрології;

• організація еталонної бази України;

• координація діяльності метрологічної служби;

• визначення загальних метрологічних вимог до засобів вимірювальної техніки та методів вимірювання;

• організація і проведення державного метрологічного контролю і нагляду;

• участь у діяльності міжнародних метрологічних організацій;

• організація навчання та підготовки кадрів з метрології, стандартизації та сертифікації тощо.

Основними об'єктами стандартизації метрологічного забезпечення єдності вимірювань є:

• одиниці фізичних величин;

• державні еталони і повірочні схеми;

• методи і засоби повірки засобів вимірювань;

• нормовані метрологічні характеристики;

• норми точності вимірювань;

• способи вираження і форми представлення результатів вимірювань та показників точності вимірювань;

• методики проведення вимірювань;

• методики оцінки достовірності й форми представлення даних про властивості речовин і матеріалів;

• вимоги до зразків складу і властивостей речовин та матеріалів;

• організація і порядок проведення держави випробувань, повірки, метрологічної атестації засобів вимірювань, метрологічної експертизи, нормативно-технічної, проектної, конструкторської і технологічної документації.

МЗ має п’ять взаємопов’язаних галузей:

1 Наукова галузь ґрунтується на метрології як науці про вимірювання, методи і засоби забезпечення їх єдності та способи досягнення потрібної точності.

2 Законодавчою основою МЗ є закони, декрети, постанови та інші правові документи, які спрямовані на забезпечення єдності вимірювань в державі.

3 Нормативною основою МЗ є нормативні документи (стандарти, методики, інструкції).

4 Технічну основу МЗ становлять технічні засоби (еталони, робочі засоби вимірювань), призначені для відтворення, зберігання, передавання одиниць фізичних величин та виконання процедур порівняння з ними вимірюваних величин з метою отримання об’єктивної інформації про їхнє значення.

5 Організаційною основою МЗ є мережа організацій, на які покладено функції адміністративного забезпечення єдності вимірювань.

Всі ці галузі пов’язані складними інформаційнотехнічними зв’язками, метою яких є забезпечення єдності та достовірності вимірювальної інформації, яка створюється в суспільній діяльності.

Сьогодні процедури оцінювання якості вимагають все більше і більше об’єктивної інформації, про показники якості оцінюваної продукції.

Основним джерелом об’єктивної інформації, яка використовується у всіх галузях МЗ, є технічна галузь.

Тому очевидним є бажання до постійного вдосконалення технічних засобів вимірювальної техніки як основного стимулу розвитку інших галузей метрологічного забезпечення.

Однак будь-який вид людської діяльності веде до певних затрат на її здійснення. Тобто забезпечення єдності вимірювань за допомогою їх МЗ вимагає затрат на розроблення нормативно-правових документів, створення еталонів та засобів вимірювальної техніки, фінансування діяльності контролюючих органів.

Наприклад, у розвинених країнах трудомісткість контролю і вимірювань показників якості продукції становить в середньому від 10 % до 15 % трудомісткості всього суспільного виробництва. В деяких галузях виробництва, наприклад, у виробництві електронних вузлів і їх компонентів, ця частка значно вища. Економія затрат завдяки ефективнішій побудові системи МЗ забезпечила би появу значних наукових і економічних ресурсів. Тому очевидно, що в сучасних умовах розвитку національної економіки важливим фактором є створення ефективного метрологічного забезпечення.

Перспективи удосконалення метрологічного забезпечення якості продукції. Контроль багатьох параметрів якості є завданням вимірювальної техніки.

Висока якість продукції може бути досягнута тільки там, де вимірювальна техніка є невід’ємною частиною процесу виробництва. Крім того, необхідного підвищення якості вимагають все вищі вимоги до ефективності самої вимірювальної техніки. Тому забезпечення якості і вимірювальна техніка в процесах виробництва взаємопов’язані між собою.

У загальному випадку систему МЗ можна подати у вигляді перетворюючої системи, яка реагує на вхідні впливи, характеризується множиною внутрішніх станів та реалізує вихідні впливи.

На шляху вдосконалення системи МЗ існують невирішені проблеми. Найболючішою є проблема «людського» фактора. Її можна вирішувати, впровадивши систему управління якістю в органах системи МЗ, чіткіше сформулювавши вимоги до персоналу, організувавши та здійснивши різноманітні заходи підвищення кваліфікації. Важливою проблемою в системі МЗ є технічний фактор.

Як правило, в промисловості України використовується парк застарілих засобів вимірювальної техніки, для яких розроблено доволі ефективні методи контролю їх метрологічних характеристик, що забезпечують достатній рівень довіри до результатів вимірювань. При впровадженні сучасних засобів вимірювальної техніки часто виникає проблема неефективності існуючого МЗ. Вирішення цієї проблеми лежить в площині впровадження сучасних інтелектуальних засобів вимірювань, методів бездемонтажного контролю метрологічних характеристик ЗВ, створення баз даних про метрологічні характеристики ЗВ та їх зміни від початку експлуатації.

Висновки та формулювання напрямів подальших досліджень. Запропонований підхід системного аналізу стану метрологічного забезпечення оцінювання якості дає змогу: по-перше, здійснювати узагальнений аналіз із урахуванням максимальної кількості впливових факторів, по-друге, використання матричних структур спрощує алгоритми розрахунку показників якості системи МЗ, що дасть змогу оперативніше враховувати тенденції розвитку системи, по-третє, використання запропонованого підходу для аналізу ефективності МЗ спростить формалізацію процедур оцінювання якості продукції та підвищить достовірність результатів оцінювання відповідності продукції встановленим вимогам.

Подальші дослідження системи МЗ оцінювання якості продукції необхідно вести в таких напрямках:

− розроблення математичної моделі системи МЗ;

− розроблення алгоритмів побудови оптимальних структур МЗ;

− створення концепції розвитку окремих галузей МЗ.

Отже, виконання перерахованих вище заходів дасть змогу створити ефективну систему метрологічного забезпечення оцінювання якості.

5.2. Метрологічне забезпечення гірничо-металургійного комплексу

Безпека та ефективність сучасного металургійного виробництва неможлива без професійного метрологічного супроводу і контролю технологічних процесів: експертиза технічної документації, розробка, експертиза та атестація методик вимірювань, повірка та калібрування засобів вимірювань та ін. Застосування високоточних методів і засобів вимірювань гарантують і якість кінцевої продукції металургів. У таких високотехнологічних галузях, як авіакосмічна техніка або військово-промисловий комплекс, якість вимірювань відбивається на надійності конструкції і безвідмовності механізмів. А у виробництві труб, наприклад, критичні питання контролю параметрів при виробництві продукції, від чого залежить герметичність з'єднань для безпечної експлуатації трубопроводів в нафтогазовій та інших галузях. Рішенням цих задач займаються як метрологічні служби підприємств так і сторонні організації. До сфери їх діяльності входять розробка методів і еталонних засобів вимірювань вищої точності, їх випробування, повірка та калібрування, а також розробка систем параметрів і характеристик для опису об'єктів вимірювань. Необхідність цієї діяльності насамперед викликається підвищеними вимогами до якості і надійності металургійної продукції.

Одна з суттєвих метрологічних проблем ГМК-проблема з державними стандартними зразками для встановлення хімічного складу матеріалів. Через відсутність національної бази з випуску державних стандартни зразків підприємства ГМК змушені їх купувати за кордоном, витрачаючи при цьому значні кошти. Термін дії державних стандвртних зразків на багатьох підприемствах вичерпано, що ставить у скрутне становищще випробувальні лабораторії в частині визначення хіміяного сладу матеріалів, що особливо важливо при постачанні металопродукції на експорт.

6. Організація метрологічної діяльності в Україні та світі

6.1 Державна метрологічна система

Метрологічна система України створює необхідні засади для забезпечення єдності вимірювань у державі.

Основними завданнями цієї системи є:

1) реалізація єдиної технічної політики у сфері метрології та метрологічної діяльності;

2) захист громадян і національної економіки від наслідків недостовірних результатів вимірювань;

3) здійснення фундаментальних і прикладних досліджень та наукових розробок у сфері метрології та метрологічної діяльності;

4) економія всіх видів енергетичних і матеріальних ресурсів;

5) забезпечення якості та конкурентоспроможності вітчизняної продукції;

6) створення нормативно-правових, нормативних, науково-технічних та організаційних основ забезпечення єдності вимірювань у державі.

Метрологічна система України включає:

національну метрологічну службу;

нормативно-правову базу, у тому числі законодавчі акти, технічні регламенти та інші нормативно-правові акти, що регулюють відносини у сфері метрології та метрологічної діяльності;

національну еталонну базу та систему передачі розмірів одиниць вимірювання;

систему добровільної акредитації калібрувальних лабораторій, а також систему акредитації випробувальних лабораторій, органів з оцінки відповідності у випадках, визначених цим та іншими законами України;

навчальні заклади, науково-дослідні установи, організації, що поширюють знання та досвід у сфері метрології та метрологічної діяльності.

Діяльність, пов’язану із забезпеченням функціонування та розвитку метрологічної системи України, координує центральний орган виконавчої влади, що реалізує державну політику у сфері метрології та метрологічної діяльності.

Дата добавления: 2015-07-13