2029

Законодательная метрология решает комплексную проблему взаимоувязанных правил, требований и норм, а также вопросы, требующие регламентации и контроля со стороны государства, направленные на обеспечение единства измерений и единообразия номенклатуры средств измерений. Для этих целей органами Госстандарта (точнее Комитетом по метрологии, стандартизации и сертификации РФ) разрабатываются и утверждаются для обязательного повсеместного применения различные виды нормативно-технической документации (НТД): ГОСТы, ОСТы и руководящие документы (РД) – методики, инструкции, указания. Эти НТД являются базовыми для разработки конструкторско-технологической документации (КТД), технических условий (ТУ) и технических требований (ТТ) на изделия, а также стандартов предприятий (СТП) различного назначения. Например, СТП по качеству выпускаемых изделий.

Прикладная метрология решает вопросы определения точности методов и средств измерений (СИ), разрабатывает способы поддержания ее (точности) на требуемом уровне в центральных и региональных учреждениях, заводах и фирмах, имеющих в своем распоряжении рабочие средства измерений. Обеспечивает периодическую поверку и калибровку этих средств на предмет соответствия их реальной точности и точности указанной в эксплуатационной документации.

Техническая диагностика решает три типа задач определения технического состояния объектов.

К первому типу относятся задачи определения технического состояния, в котором находится объект в настоящий момент времени. Это – задачи диагностирования. Задачи второго типа – предсказание технического состояния, в котором окажется объект в некоторый будущий момент времени. Это задачи технического прогнозирования. К третьему типу относятся задачи определения технического состояния, в котором находился объект в некоторый момент времени в прошлом. Это задачи технической генетики.

Квалиметрия (от лат. qualis – какой по качеству) – самый молодой раздел метрологии, разрабатывающий теорию и практику измерения качества продукции. В квалиметрии используются те же принципы, что и в области измерений физических величин. Однако, если мерами физических свойств объектов являются физические величины, например, масса, скорость, длина, то мерами свойств объектов, определяющих качество, служат показатели качества. Эти показатели оцениваются посредством измерения значений физических величин. Методы квалиметрии применяются при сертификации товаров и услуг.

11

1.2. ХАРАКТЕРИСТИКА ИЗМЕРЕНИЙ И КОНТРОЛЯ, ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЕ

ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЬ КАК ЭМПИРИЧЕСКИЕ ПРОЦЕДУРЫ

Известно, что методы познания окружающей нас действительности делятся на:

-теоретические;

-эмпирико-теоретические;

-эмпирические (опытные).

Кнаиболее часто применяемым при исследованиях, экспериментах, на производстве и в быту относят простейшие эмпирические методы.

Эмпирические методы, наиболее часто применяемые в различных сферах деятельности человека, называют эмпирическими процедурами. К простейшим эмпирическим процедурам можно отнести:

-обнаружение;

-наблюдение;

-сравнение;

-счет;

-контроль;

-измерения.

Ксложным эмпирическим процедурам, по-видимому, следует отнести:

-научный эксперимент;

-промышленный эксперимент;

-испытание изделий;

-изучение состояния сложных объектов и сред;

-идентификация.

Обнаружение – целенаправленный поиск с целью подтверждения или неподтверждения того или иного факта.

Например, обнаружение других цивилизаций с помощью радиотелескопа. Порог чувствительности современных радиотелескопов достиг ничтожно малой

величины радиосигнала равной 2 10 18 Вт.

Наблюдение – целенаправленное познание интересующего нас объекта. Например, изучение структуры кристаллической решетки метала с помощью электронного микроскопа.

Сравнение – изучение объектов, процессов, сред на основе их сходства или различия. Например, сравнение масс, геометрических размеров, прозрачности, освещенности и т. п. В результате сравнения человек получает только относительную, то есть качественную информацию.

Счет – определение количественного свойства данной дискретной совокупности обычно качественно однотипных объектов - числом из натурального ряда. Отличие счета от вышеперечисленных эмпирических процедур: счет отвечает на вопрос “сколько?”, то есть позволяет получать количественную информацию. Следует заметить, что счет может быть в

12

принципе организован безошибочным, например, счет денег кассиром и дополнительный пересчет получателем: “считай деньги не отходя от кассы”. Однако, при техническом оснащении процедур счета вероятность ошибок возрастает.

Контроль – оценка состояния объекта логическим заключением, например “годен” или “негоден”, которое выражает степень соответствия между данным свойством объекта и нормой с заданной достоверностью.

Достоверность – это вероятность истинности логического заключения. В отличие от счета, технический контроль в принципе не может быть безошибочным, независимо от того оснащен ли он технически или выполняется с помощью органов чувств оператора, то есть органолептически. Основными метрологическими характеристиками контроля являются достоверность и ошибки.

Измерение – оценка количественного свойства объекта именованным числом с заданным качеством (точностью). Следует оговориться, что это не строгое определение, а скорее смысловое.

По своей информационной сущности измерения и контроль можно отнести к сопоставимым процедурам, содержащим общие операции. Например, операцию сравнения. Однако, если при измерениях, измеряемая физическая величина, отражающая интересующее нас свойство объекта, сравнивается с мерой, то при контроле, контролируемый параметр сравнивается с заранее заданной нормой на этот параметр с допускаемым пределом его отклонения от заданной нормы.

Контроль иногда предшествует измерениям. Например, в современных автоматических измерительных приборах, определение полярности измеряемого напряжения или тока, выбор поддиапазона измерения являются автоматическими контрольными процедурами, предшествующими автоматическому сравнению измеряемой физической величины с мерой, то есть измерению.

Однако есть и существенные различия между измерениями и контролем. Так результат измерения – есть количественная характеристика, а контроля - качественная.

Измерение – это определение неизвестного значения измеряемой величины с поиском этого значения в достаточно широком диапазоне ожидаемых значений.

Контроль – это подтверждение или отрицание факта нахождения в допускаемых пределах отклонения значения контролируемой величины (например, напряжения или тока). Поэтому основная характеристика качества измерения – точность, а контроля – достоверноcть или дословно: “до ста процентов верности”.

13

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИЗМЕРЕНИЙ И КОНТРОЛЯ

Цель измерений и контроля – получение информации оператором или экспериментатором. Исключения составляют автоматические измерения и контроль, выполняемые по определенной программе без непосредственного участия человека.

К простейшим видам получения информации можно отнести способность человека качественно оценивать, например состояние окружающей его среды с помощью органов чувств: “холодно или жарко”, “светло или темно”, или принимать альтернативные решения: “годен” или “не годен”.

С помощью простейших технических средств также можно принимать решение типа “да” или “нет”. Например, найти “фазу” в сетевой розетке с помощью неонового индикатора, обнаружить разрыв или короткое замыкание на каком либо участке электрической цепи и т. п. Такие задачи обычно решаются до измерений (с помощью контрольных операций), когда еще нет достаточно априорных сведений для постановки измерений.

Поэтому, только после получения предварительных сведений об интересующем нас объекте, можно ставить задачу по количественной оценке его параметров, то есть – организовать и выполнить измерения.

Практика показывает, что для выбора метода измерения необходимо знать хотя бы ожидаемый порядок измеряемой величины, так как любому методу свойственны недостатки и ограничения, а средства измерений всегда ограничены по рабочему диапазону.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ, ИХ ТОЧНОСТЬ

Для описания свойств объектов пользуются понятием – физическая величина (ф. в.).

Физическая величина – свойство общее в качественном отношении для многих физических объектов. Например, длина, масса, электрическое сопротивление, электрический ток и др.

Физическая величина характеризует качественную сторону свойств физических объектов, процессов, сред.

Для оценки количественной характеристики свойств объектов принято понятие – значение физической величены (зн. ф. в.).

Значение физической величены – это количественная оценка ф. в. в виде некоторого числа принятых для нее единиц. Например, сила тока 5А, длина изделия 4.5м. Эти числа всегда именованные и требуют введения единиц физических величин (ед. ф. в.).

Однако введение ед. ф. в. возможно только для квантующихся физических свойств объектов и процессов, то есть только для свойств, которые можно количественно оценить, используя соответствующие ед. ф. в. (например, системы S1).

Следует заметить, что в настоящее время не все свойства удается оценить количественно. Так цвета, запахи, сортность некоторых материалов и изделий

14

из них, качество продуктов питания и т. д. оцениваются органолептически, то есть субъективно.

Поэтому следует констатировать, что объективно значение физической величины можно оценить только выполняя измерения.

Правда при определенном опыте значения некоторых ф. в. можно оценить с помощью наших органов чувств (температуру, освещенность, длину и некоторых других), однако, перечень этих величин ограничен и субъективность их оценок очевидна.

Следовательно эмпирически только измерения позволяют получать объективную количественную информацию о физической величине.

Однако количественная информация о физической величине теряет смысл, если при измерении не соблюдены следующие два требования:

Требование 1. В результате измерений должно быть получено не просто число, а число именованное, то есть представленное в определенных единицах, общепринятых для данной физической величины. Это обеспечивает сопоставимость результатов измерений независимо от того, где, когда, кем и чем выполнялись измерения.

Требование 2. Результат измерения должен содержать оценку точности полученного значения физической величины.

В соответствии с изложенным под измерением понимают совокупность экспериментальных, а в некоторых случаях и вычислительных операций, имеющих целью получение значения физической величины.

Точность измерений. Под точностью измерений понимают качество измерений, обеспечивающее близость их результатов к истинному значению измеряемой физической величины, то есть – близость к нулю как систематических, так и случайных составляющих погрешностей измерений. Точность измерений – важнейшая обобщенная характеристика их качества и определяется следующими частными характеристиками качества.

Правильность измерений – качество измерений, обеспечивающее близость к нулю систематических погрешностей их результатов.

Сходимость измерений – качество измерений, обеспечивающее близость друг к другу результатов измерений, выполняемых в одинаковых условиях.

Достоверность измерений – качество измерений, обеспечивающее близость к нулю случайных (и принимаемых за случайные) погрешностей их результатов.

Воспроизводимость (сопоставимость) измерений – качество измерений,

обеспечивающее близость друг к другу результатов измерений, выполняемых в различных условиях (в разное время, в различных местах, разными

методами и средствами).

Например, при “нулевом” методе сравнения с помощью компаратора оператор фиксирует момент совпадения значения измеряемой величины (Х) и значения меры (Х0), при этом мера должна быть регулируемой. Результат измерения снимается с меры, так как X=X0. Так измеряют массу на рычажных весах с помощью набора гирь, то есть процедура взвешивания товара на весах есть процедура измерения массы этого товара.

Таким образом обязательными элементами измерительных процедур или структурных схем измерительных приборов, работающих на методах сравнения, являются мера и компаратор.

Измерение в принципе невозможно без меры.

1.3.СПОСОБЫ ЧИСЛОВОГО ВЫРАЖЕНИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ И ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ

Для характеристики точности измерений пользуются понятием погрешности измерений. Поэтому очевидно, что чем меньше погрешность, тем измерение точнее. Практика измерений показывает, что избежать погрешностей невозможно. Поэтому в основе метрологии лежит тезис о неизбежности погрешности измерений.

Теория измерений опирается на следующие постулаты:

– существует истинное значение измеряемой величины;

– истинное значение измеряемой величины определить невозможно;

– истинное значение измеряемой величины постоянно.

Истинное значение физической величины – это значение физической величины, которое идеальным образом отражало бы в качественном отношении соответствующее свойство объекта.

Поэтому в результате измерений можно произвести только оценку степени приближения результата к истинному значению.

Важно заметить, что процесс оценки точности или погрешности зачастую оказывается значительно сложнее самих измерений, так как погрешность так же, как и результат, требуется оценивать количественно, а средств нет.

Действительно, недостаточно просто констатировать существование погрешностей или перечислить их, надо их представить в определенном числовом виде. Поэтому первоначальной задачей любого измерения является оценка его погрешности путем обработки результатов измерения Х.

Погрешностью измерения называют отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой физической величины.

Однако, поскольку истинное значение всегда неизвестно, если же его можно считать известным, то измерение не нужно, то практически можно найти лишь “приближенную” погрешность, то есть найти оценку погрешности измерения Х.

Для оценки погрешности измерения на практике пользуются действительным значением физической величины.

16

За действительное значение XД обычно принимают показание меры или образцового прибора, которое приближает значение физической величины к ее

измеряемая величина (Xi). Однако, ее значение во многих случаях не дает правильного представления о качестве измерения.

Для оценки качества измерения удобно пользоваться относительной

Относительную погрешность принято выражать в процентах.

Таким образом по форме выражения погрешностей измерений различают погрешности и .

Относительная погрешность особенно удобна для сравнения качества измерений различных физических величин и погрешностей измерительных приборов, предназначенных для измерения различных физических величин.

Однако, основной задачей при вычислении относительной погрешности, является нахождение абсолютной.

Кроме этого, что не менее важно, для вычисления относительной погрешности по формуле (1.2) необходимо знать и действительное значение измеряемой физической величины, которое известно только при поверочных измерениях или при передаче размеров единиц физических величин от эталонов образцовым СИ, то есть при так называемых метрологических измерениях.

При технических измерениях ни действительное, ни тем более истинное значение физической величины неизвестно. Поэтому приходится относительную погрешность измерения оценивать с использованием косвенных данных. Например, пользуются отношением

наблюдения Xi.

Таким образом при обычных рабочих измерениях и при известной абсолютной погрешности (формула 1.1) можно вычислить только оценку относительной погрешности единичного наблюдения i по формуле (1.3).

Если погрешности измерений характеризуют их несовершенство, то позитивной характеристикой измерений является их точность. Поэтому не следует отождествлять эти противоположные понятия. Это то же самое, что приравнять сопротивление проводимости.

17

Из ряда показателей качества различных технических изделий, таких как, надежность, долговечность, экономичность и др. – для измерительных средств важнейшим является показатель точности.

Материальной основой, обеспечивающей требуемую точность измерений, выполняемых во всех сферах деятельности человека, служат эталоны и образцовые СИ.

Однако точность измерения должна соответствовать цели измерения. Излишняя точность ведет к неоправданному расходу средств и времени на постановку точных измерений. Недостаточная точность измерения может привести к признанию, например при контроле, годным в действительности негодное изделие.

Количественно точность вычисляется как обратно пропорциональная величина модулю относительной погрешности:

1 .

Здесь / д – модуль относительной погрешности, то есть отношение

абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой величины, не выраженное в процентах

1.4. КЛАССИФИКАЦИЯ ИЗМЕРЕНИЙ, МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

ГРУППЫ ТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

Измерительные процедуры (измерения) классифицируются по различным признакам. В зависимости от требуемой точности, все измерения делятся на следующие виды:

-метрологические;

-контрольно-поверочные;

-технические.

Метрологические измерения разрабатываются и производятся с целью получения максимально возможной, при существующем уровне развития науки

итехники, точности. Примерами могут служить измерение физических констант, все эталонные измерения по сличению, например, государственных эталонов с международными, специальные измерения, требующие наивысшей точности.

Контрольно-поверочные измерения – измерения, погрешности которых должны быть не более заданных величин. Их выполняют при периодических поверках средств измерений, а также после их ремонта, при серийном выпуске

ипри разработке новых средств и методик измерения.

Технические измерения – измерения, при которых погрешность результата определяется характеристиками технических измерительных средств. Это самые распространенные, массовые измерения, выполняемые при

18

научных исследованиях и на производстве во всех областях деятельности человека.

В данном пособии ограничимся рассмотрением только технических измерений и не будем касаться вопросов контрольно-поверочных, а тем более метрологических измерений, которыми пользуются метрологические службы предприятий, региональные лаборатории и научно-технические объединения Комитета по стандартизации, метрологии и сертификации РФ.

ГРУППЫ ТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

1. В зависимости от объема априорных сведений об объекте, все измерения можно объединить в две группы.

Группа 1. Измерения параметров объектов или процессов, модели которых известны. То есть объектов, описанных с физической и технической точек зрения, но с неизвестными количественными данными совокупности параметров. Например, известно, что напряжение в сети можно представить в виде

u(t) = Umsin( t + ).

В этом случае конечной целью измерения является – получение количественных значений параметров U, Uср, Um, , или одного из них.

Группа 2. Измерения параметров объектов или процессов, физические и технические свойства которые известны лишь приближенно. В этих ситуациях целью измерения является уточнение модели объекта по полученным количественным данным о некоторой совокупности параметров. Например, неизвестна форма переменного напряжения (sin или не sin). В этом случае для уточнения формы этого напряжения (модели объекта) необходимо измерить действующее значение напряжения U и его среднее значение Uср и вычислить коэффициент формы Кф=U/Uср (он должен быть равен 1,11 для синусоиды, если Кф 1,11, то напряжение несинусоидально). Такие измерения более сложны и трудоемки и предъявляют соответствующие требования к квалификации оператора и к качеству СИ.

2. По способу использования измерительной информации во времени

измерения делятся на две группы:

-измерения с реализацией результатов в реальном масштабе времени;

-измерения с использованием полученной информации с задержкой во времени с целью, например, ее накопления для дальнейшей обработки.

Впервом случае в качестве определяющих оказываются следующие характеристики измерения: быстродействие и оптимальная организация ввода измерительной информации в устройства ее обработки. Примерами могут служить все измерения в системах автоматического регулирования и управления.

19

Во втором случае требуется организация накопления и хранения измерительной информации. Например, при исследованиях и испытаниях проектируемых или серийно выпускаемых изделий.

3. В зависимости от режима работы измерительных средств во времени, различают статические и динамические измерения.

Кстатическим измерениям относят измерения, при которых измеряются постоянные, установившиеся или усредненные во времени значения физических величин, и СИ работают со значительным временем усреднения, то есть – в статическом режиме.

Кдинамическим измерениям относятся такие, при которых измеряются “мгновенные” значения физических величин и СИ работает в динамическом режиме, то есть с малым временем измерения (усреднения), значительно меньшим времени заметного изменения сигнала.

Кстатическим измерения, например, относятся измерения средних или действующих значений переменных величин (токов, напряжений и т. д.).

Типичным примером динамических измерений является регистрация (запись) изменения величины во времени на носитель информации. При этом возникают так называемые динамические погрешности (амплитудная и фазная), искажающие представление о действительном характере изучаемого процесса.

4.В зависимости от степени воздействия случайных факторов на измеряемые параметры или на показания СИ, измерения выполняются однократно или многократно.

Измерения, выполненные с однократными наблюдениями, называются единичными или обыкновенными.

Измерения, выполняемые с многократными наблюдениями, часто называют статистическими.

Необходимость выполнения однократных и многократных измерений определяются характером сигнала или величиной случайной составляющей погрешности СИ.

Однократные измерения можно применять только в случае, когда сигнал является детерминированным и на показание прибора не оказывают заметного воздействия случайные факторы. При этом повторение измерений приводит к одному и тому же результату.

Статистические измерения выполняются, когда показания прибора изменяются случайным образом, вследствие случайных погрешностей средств измерений или нестабильности параметров объекта. Эти измерения требуют математической обработки результатов наблюдений. Кстати, следует различать нестабильность показаний прибора и нестабильность параметров изучаемых объектов.

5.По виду уравнения измерения все технические измерения делятся на следующие группы:

-прямые;

-косвенные;

20