Основы теории и методики измерений

Основной постулат метрологии. Выше, при рассмотрении количественной характеристики измеряемых величин, было упомянуто уравнение измерения, в котором отражена процедура сравнения неизвестного размера Q с известным [Q]: Q / [Q] = X. В качестве единицы измерения [Q] при измерении физических величин выступает соответствующая единица Международной системы. Информация о ней заложена либо в градуированной характеристике СИ, либо в разметке шкалы отсчётного устройства, либо в значении вещественной меры. Указанное уравнение является математической моделью измерения по шкале отношений.

Теоретически отношение двух размеров должно быть вполне определённым, неслучайным числом. Но практически размеры сравниваются в условиях множества случайных и неслучайных обстоятельств, точный учёт которых невозможен. Поэтому при многократном измерении одной и той же величины постоянного размера результат, называемый отсчётом по шкале отношений, получается всё время разным. Это положение, установленное практикой, формулируется в виде аксиомы, являющейся основным постулатом метрологии: отсчёт является случайным числом.

Факторы, влияющие на результат измерений (влияющие факторы). При подготовке и проведении высокоточных измерений в метрологической практике учитывают влияние объекта измерения, субъекта (эксперта или экспериментатора), метода измерения, средства и условий измерения.

Объект измерения должен быть всесторонне изучен. Так, при измерении плотности вещества должно быть гарантировано отсутствие инородных включений, при измерении диаметра вала нужно быть уверенным, что он круглый. В зависимости от характера объекта и цели измерения учитывают (или отвергают) необходимость корректировки измерений. Например, при измерении площадей сельскохозяйственных угодий пренебрегают кривизной Земли, что нельзя делать при измерении поверхности океанов. При измерении периода обращения Земли вокруг Солнца можно заранее пренебречь его неравномерностью, а можно наоборот сделать её объектом исследования.

Субъект, т.е. оператор, привносит в результат измерения элемент субъективизма, который по возможности должен быть сведён к минимуму. Он зависит от квалификации оператора, санитарно-гигиенических условий труда, его психофизиологичекого состояния, учёта эргономических требований при взаимодействии оператора с СИ. Санитарно-гигиенические условия включают такие факторы, как освещение, уровень шума, чистота воздуха, микроклимат.

Как известно, освещение может быть естественным и искусственным. Наиболее благоприятным является естественное освещение, производительность труда при котором на 10% выше, чем при искусственном. Дневной свет должен быть рассеянным, без бликов. Искусственное освещение помещений должно быть люминесцентным, рассеянным.

Люди с нормальным зрением способны различать мелкие предметы лишь при освещённости не менее 50-70 лк. Максимальная острота зрения наступает при освещённости 600-1000 лк. В оптимальных условиях продолжительность ясного видения (с хорошей остротой) при непрерывной работе составляет 3 ч. Уровень шума в лаборатории не должен превышать 40-45 дБ.

Важное значение имеют собранность, настроение, режим труда эксперта. Наибольшая работоспособность отмечается в утренние и дневные часы – с 8 до 12 и с 14 до 17. В период с 12 до 14 и вечерние часы работоспособность, как правило, снижается, а в ночную смену она минимальна.

Измерительные приборы размещают в поле зрения оператора в зоне, ограниченной углами ±30^о от оси в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Отсчётные устройства должны располагаться перпендикулярно линии зрения оператора. Оптимальное расстояние от шкалы до глаза оператора определяется высотой знака, подлежащего считыванию. По контрастности отметки шкал должны на порядок отличаться от фона.

По опытным данным, в зависимости от индивидуальных особенностей оператора, связанных с его реакцией, измерительными навыками и т.п., неточность глазомерного отсчёта по шкалам измерительных приборов может достигать ±0.1 деления шкалы.

Метод измерений – приём или совокупность приёмов сравнения измеряемой величины с её единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. Очень часто измерение одной и той же величины постоянного размера разными методами даёт различные результаты, причём каждый из них имеет свои недостатки и достоинства. Искусство оператора состоит в том, чтобы соответствующими способами исключить, компенсировать или учесть факторы, искажающие результаты. Если измерение не удаётся выполнить так, чтобы исключит или компенсировать какой-либо фактор, влияющий на результат, то в последний в ряде случаев вносят поправку. Поправки могут быть аддитивными (от лат. аdditivus – прибавляемый) и мультипликативными (от лат. multipico – умножаю). Например, для расчёта сопротивления измеряют значение электрического тока, протекающего через резистор, и падение напряжения на нём. При этом возможны два варианта включения вольтметра и амперметра и соответственно различные аддитивные поправки. В одном случае из показания амперметра нужно вычесть ток, протекающий через вольтметр, в другом – из показания вольтметра нужно вычесть падение напряжения на амперметре. Другой пример(по учёту мультипликативной поправки): при измерении ЭДС вольтметром учитывают сопротивление источника питания путём умножения показания вольтметра на поправочный множитель, определяемый расчётным путём.

Влияние СИ на измеряемую величину во многих случаях проявляется как возмущающий фактор. Например, ртутный термометр, опущенный в пробирку с охлаждённой жидкостью, подогревает её и показывает не первоначальную температуру жидкости, а температуру, при которой устанавливается термодинамическое равновесие. Другим фактором является инерционность СИ. Некоторые СИ дают постоянно завышенные или постоянно заниженные показания, что может быть результатом дефекта изготовления, некоторой нелинейности преобразования. Эти особенности СИ выявляются при их метрологическом исследовании. По итогам устанавливается аддитивная или мультипликативная поправка в виде числа или функции, она может задаваться графиком, таблицей или формулой. Например, если вследствие дефекта изготовления стрелка на шкале удлинений разрывной машины в исходном положении устанавливается не на нуле, а на делении 5 мм, то все результаты будут иметь систематическую погрешность 5 мм, на которую нужно делать аддитивную поправку при подсчёте.

Условия измерения, как влияющий на результат фактор, включают температуру окружающей среды, влажность, атмосферное давление, напряжение в сети и многое другое.

Рассмотрев факторы, влияющие на результаты измерений, можно сделать следующие выводы: при подготовке к измерениям они должны по возможности исключаться, в процессе измерения компенсироваться, а после измерения учитываться. Учёт указанных факторов предполагает исключение ошибок и внесение поправок к измеренным величинам.

Появление ошибок вызвано недостаточной надёжностью системы, в которую входят оператор, объект измерения, СИ и окружающая среда. В данной системе могут происходить отказы аппаратуры, отвлечение внимания человека, описки в записях, сбои в аппаратуре, колебания напряжения в сети.

При одно- трёхкратном измерении ошибка может быть выявлена при сопоставлении результатов с априорным представлением о нём или путём логического анализа. Измерения повторяют для устранения причины ошибки.

При многократном (четыре и более) измерении одной и той же величины ошибки проявляются в том, что результаты отдельных измерений заметно отличаются от остальных. Если отличие велико, ошибочный результат необходимо отбросить. При этом руководствуются «правилом трёх сигм»: если при многократном измерении сомнительный результат отдельного измерения отличается от среднего более, чем на 3σ (σ – среднее квадратичное отклонение значения измеряемой величины от среднего значения), то с вероятностью 0.997 он является ошибочным и его следует отбросить.

Качество измерений является главным фактором производства, базирующегося на быстропротекающих процессах, автоматических процессах, на большом числе измеряемых величин. Нередко причиной брака продукции становятся неверно назначенные СИ (в первую очередь по точности). Бывает и так, что СИ вовсе не назначаются там, где это необходимо, из-за их отсутствия. Как показывает анализ, если весь брак, причиной которого являются недостатки метрологической деятельности, принять за 100%, то брак продукции вследствие неправильно выбранных или совсем не назначенных СИ составит 48.5%; из-за неумелого применения СИ, отсутствия метрологически аттестованных методик измерения и низкой квалификации операторов – 46%; 5.5% обуславливается неисправностью СИ.

Методика выполнения измерений. На обеспечение качества измерений направлено применение аттестованных методик выполнения измерений (МВИ). Статьи 9, 11 и 17 Закона РФ «Об обеспечении единства измерений» включают положения, относящиеся к МВИ. В 1997 году начал действовать ГОСТ 8.563-96 №ГСИ Методика выполнения измерений».

Методика выполнения измерений – совокупность операций и правил, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с известной погрешностью. Как видно из определения, под МВИ понимают технологический процесс измерений. МВИ – это, как правило, документированная измерительная процедура. МВИ в зависимости от сложности и области применения излагают в следующих формах: отдельном документе (стандарте, рекомендации и т.п.); разделе стандарта; части технического документа (разделе ТУ, паспорта).

Аттестация МВИ – процедура установления и подтверждения соответствия МВИ предъявляемым к ней метрологическим требованиям.

В документах (разделах, частях документов), регламентирующих МВИ, в общем случае указывают: назначение МВИ; условия измерений; требования к погрешности измерений; требования к СИ (в том числе к стандартным образцам), вспомогательным устройствам, материалам, растворам и пр.; операции при подготовке к выполнению измерений; операции при выполнении измерений; операции обработки и вычисления результатов измерений;, нормативы, процедуру и периодичность контроля погрешности результатов выполняемых измерений; требования к квалификации операторов; требования к безопасности и экологичности выполняемых работ.

При разработке МВИ одно из основных исходных требований – требование к точности измерений, которые должны устанавливать, в виде пределов допускаемых значений характеристик, абсолютную и относительную погрешности измерений.

Наиболее распространённым способом выражения требований к точности измерений являются границы допускаемого интервала, в котором с заданной вероятностью Р должна находиться погрешность измерений. Если границы симметричны, то перед их числовым значением ставится знак ±. Если заданное значение вероятности равно единице (Р=1), то в качестве требований к точности измерений используются пределы допускаемых значений погрешности измерений. При этом вероятность Р=1 не указывается.

Ответственным этапом является оценка погрешности измерений путём анализа возможных источников и составляющих погрешности измерений: методических составляющих (например, погрешности, возникающие при отборе и приготовлении проб), инструментальных составляющих (допустим, погрешности, вызываемые ограниченной разрешающей способностью СИ); погрешности, вносимые оператором (субъективные погрешности).

 

Контрольные вопросы

1. В чём заложена информация о единице измерения Международной системы единиц?

2. Какие факторы влияют на результаты измерения?

3. Какими могут быть поправки, исправляющие неточный результат измерения?

4. Как при разработке методики выполнения измерений (МВИ) выражают требования к точности измерения?