Понятие многократного измерени. Метрологическое обеспечение

    Содержание

    Стр.

    Введение _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 3

    1. Понятие многократного измерения _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _3

    2. Понятие метрологического обеспечения  _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 5

    3. Организационная, научная и технические основы метрологического                 обеспечения _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 8

    3.1 Организационная основа метрологического обеспечения _ _ _ _ _ _ 8

    3.2 Научная основа метрологического обеспечения _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 12

    3.3 Технические основы метрологического  обеспечения _ _ _ _ _ _ _ _ 12

    4. Закономерности формирования результата  измерения _ _ _ _ _ _ _ _ 13

    Заключение  _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _  17

    Список  используемых источников _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _19  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Введение

    Измерения являются важным средством познания человеком природы и играют огромную роль в современном мире. Практически нет ни одной сферы деятельности человека, где бы интенсивно не использовались результаты измерений, испытания и контроля.

    Измерение физической величины – совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины.

    Метрология - наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

    Проблема  обеспечения высокого качества продукции находится в прямой зависимости от степени метрологического обеспечения производства, т.е. умения правильно измерять самые разнообразные параметры качества материалов, комплектующих изделий, технологических процессов и технических объектов.

    Метрологическое обеспечение включает в себя установление и применение научных, технических, материальных, персональных, организационных, экономических и административных основ, правил и норм для достижения единства и требуемой точности измерений. 

    1. Понятие многократного измерения.

    Многократное  измерение – измерение физической величины одного и того же размера, результат которого получен из нескольких следующих друг за другом измерений, то есть состоящее из ряда однократных измерений.

    Необходимость многократных измерений некоторой физической величины ХИ возникает при наличии в процессе измерений значительных случайных погрешностей. В этом случае задача состоит в том, чтобы по результатам измерений найти наилучшую оценку истинного значения ХИ и интервал, в котором находится сама величина ХИ с заданной вероятностью.

    Точность  результата многократных наблюдений тем  выше, чем меньше систематическая составляющая их погрешности. Поэтому весьма важно выявление систематических погрешностей и исключение их из результатов наблюдений. К числу мер такого исключения относятся:

• устранение источников погрешностей до начала измерения;

• устранение (уменьшение) погрешностей в процессе измерения за счет использования соответствующих методов измерения.

    Многократное измерение одной и той же величины постоянного размера производится при повышенных требованиях к точности измерений. Такие измерения характерны для профессиональной метрологической деятельности и выполняются в основном сотрудниками государственной и ведомственных метрологических служб, а так же при тонких научных экспериментах. Это сложные, трудоемкие и дорогостоящие измерения, целесообразность которых должна быть всегда убедительно обоснована.

Метрологический анализ многократного измерения  показывает, что главной его особенностью является получение и использование большого объема апостериорной измерительной информации. Такой анализ обязательно предшествует многократному измерению и преследует те же цели, что и при однократном измерении, но с той разницей, что при многократном измерении распределение вероятности результата измерения устанавливается экспериментально. После анализа априорной информации и тщательной подготовки к измерению получают n независимых значений отсчета. Эта основная измерительная процедура может быть организована по-разному. Если изменением измеряемой величины во времени можно пренебречь, то все значения отсчета, являющегося случайным числом, проще всего получить путем многократного повторения операции сравнения с помощью одного и того же средства измерений. Если же из априорной информации можно заключить, что за время такой процедуры измеряемая величина существенно изменится, то ее измеряют одновременно несколькими средствами измерений, каждое из которых дает одно из независимых значений отсчета. Все значения отсчета x, независимо от способа их получения, переводятся затем в показания X, в которые вносятся поправки i . Если многократные измерения выполняются одним средством измерений, то поправки могут отличаться друг от друга из-за изменения во времени влияющих факторов. Если же используются одновременно несколько средств измерений, то поправки отличаются из за индивидуальных особенностей каждой из них. Для простоты будем считать их известными точно.

Весь  массив экспериментальных данных: характеризует результат измерения Q. Он может быть также описан с помощью функции распределения вероятности Q. Но нужно проверить, не было ли допущено ошибок при получении отдельных значений результата измерения.

2. Понятие метрологического  обеспечения.       

 Под метрологическим обеспечением (МО) понимается установление и применение научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерении. Основной тенденцией в развитии метрологического обеспечения является переход от существовавшей ранее сравнительно узкой задачи обеспечения единства и требуемой точности измерений к принципиально новой задаче обеспечения качества измерений.  

       Качество измерений понятие более широкое, чем точность измерений. Оно характеризует совокупность свойств СИ, обеспечивающих получение в установленный срок результатов измерений с требуемыми точностью (размером допускаемых погрешностей), достоверностью, правильностью, сходимостью и воспроизводимостью.       

 Понятие  "метрологическое обеспечение" применяется, как правило, по отношению к измерениям (испытанию, контролю) в целом. В то же время допускают использование термина "метрологическое обеспечение технологического процесса (производства, организации)", подразумевая при этом МО измерений (испытаний или контроля) в данном процессе, производстве, организации.

Объектом  метрологического обеспечения являются все стадии жизненного цикла (ЖЦ) изделия (продукции) или услуги. Под ЖЦ понимается совокупность последовательных взаимосвязанных процессов создания и изменения состояния продукции от формулирования исходных требований к ней до окончания эксплуатации или потребления.     

 Так,  на стадии разработки продукции  для достижения высокого качества  изделия производится выбор контролируемых  параметров, норм точности, допусков, средств измерения, контроля и  испытания. Так же осуществляется  метрологическая экспертиза конструкторской и технологической документации.       

 При  разработке метрологического обеспечения необходимо использовать системный подход, суть которого состоит в рассмотрении указанного обеспечения как совокупности взаимосвязанных процессов, объединенных одной целью достижением требуемого качества измерений.

Такими  процессами являются:

• установление рациональной номенклатуры измеряемых параметров и оптимальных норм точности измерений при контроле качества продукции и управлении процессами;

• технико-экономическое обоснование и выбор СИ, испытаний и контроля и установление их рациональной номенклатуры;

• стандартизация, унификация и агрегатирование используемой контрольно-измерительной техники;

• разработка, внедрение и аттестация современных  методик выполнения измерения, испытаний и контроля (МВИ);

• поверка, метрологическая аттестация и калибровка контрольно-измерительного и испытательного оборудования (КИО), применяемого на предприятии;

• контроль за производством, состоянием, применением  и ремонтом КИО, а также за соблюдением метрологических правил и норм на предприятии;

• участие  в разработке и внедрении стандартов предприятия;

• внедрение  международных, государственных и  отраслевых стандартов, а также иных нормативных документов Госстандарта;

• проведение метрологической экспертизы проектов нормативной, конструкторской и технологической документации;

• проведение анализа состояния измерений, разработка на его основе и осуществление  мероприятий по совершенствованию МО;

• подготовка работников соответствующих служб и подразделений предприятия к выполнению контрольно-измерительных операций. 
        Метрологическое обеспечение имеет четыре основы: научную, организационную, нормативную и техническую. Отдельные аспекты МО рассмотрены в рекомендации МИ 2500-98 по метрологическому обеспечению малых предприятий. Разработка и проведение мероприятий МО возложено на метрологические службы (МС). Метрологическая служба - служба, создаваемая в соответствии с законодательством для выполнения работ по обеспечению единства измерений и осуществления метрологического контроля и надзора.

    3. Организационная, научная и технические основы метрологического обеспечения.

     3.1 ОРГАНИЗАПИОННАЯ ОСНОВА МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ.

    1) ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКАЯ СЛУЖБА.

    "Метрологическая служба" совокупность субъектов деятельности и видов работ, направленных на обеспечение единства измерений.

    В настоящее время метрологическая  служба России состоит из Государственной  метрологической службы, а также из метрологических служб органов Государственного управления и юридических лиц. Единство измерений этих служб заключается в руководстве Госстандартом России всей метрологической деятельностью, в единой основной задаче- обеспечении единства измерений и единых нормативных документах по вопросам метрологического обеспечения , имеющих обязательную силу на территории РФ.

    Государственная метрологическая служба включает: государственные научные метрологические центры (ГНМЦ); органы Государственной метрологической службы на территориях республик в составе Российской Федерации, автономной области, автономных округов, областей, городов Москвы и Санкт-Петербурга.

    В состав Государственной метрологической  службы входит ряд метрологических  научно-исследовательских институтов:

    Всероссийский научно-исследовательский институт метрологической службы (ВИНИМС, г.Москва ), НПО "ВНИИ метрологии имени Д.И.Менделеева" (ВНИИМ, г.С-Петербург), НПО"ВНИИ физико-технических  и радиотехнических измерений" (ВНИИФТРИ, Московская область ), Сибирский государственный научно-исследовательский институт метрологии (СНИИМ, г.Новосибирск), Уральский научно-исследовательский институт метрологии (УНИИМ, г.Екатеринбург), Всероссийский научно-исследовательский институт расходометрии (ВНИИР, г.Казань), Восточно-сибирский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений (ВС ВНИИФТРИ, г.Иркутск). Государственные научные метрологические центры несут ответственность за создание, совершенствование, хранение и применение государственных эталонов, а также за разработку нормативных документов по обеспечению единства измерений. Научные центры являются хранителями государственных эталонов, проводят исследования в области теории измерений, принципов и методов высокоточных измерений, разработки научно-методических основ совершенствования Российской системы измерений.

    Органами  Государственной метрологической  службы являются центры стандартизации, метрологии и сертификации - ЦСМиС (их более 100), расположенные по всей территории России. В Москве расположен Российский центр испытаний и сертификации (РОСТЕСТ-Москва), в Санкт-Петербурге (Тест-С-Петербург). Органы Государственной службы проводят работы по поверке и калибровке средств измерений, осуществляют Государственный метрологический контроль и надзор за обеспечением единства измерений.

    Обеспечением  единства измерений заняты и другие Государственные службы: Государственная  служба времени и частоты и  определения параметров Земли (ГСВЧ), Государственная служба стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов (ГССО) , Государственная служба стандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществ и материалов (ГСССД). Госстандарт России осуществляет руководство этими службами и координацию их деятельностью.

    ГСВЧ  обеспечивает межрегиональную и  межотраслевую координацию работ  по обеспечению единства измерений  времени, частоты и определения  параметров вращения Земли; обеспечивает воспроизведение, хранение и передачу размеров единиц времени и частоты, шкал атомного, всемирного и координированного времени, координат полюсов Земли.

    ГССО  организует создание и использование  стандартных образцов состава и  свойств веществ и материалов (металлов и сплавов, медицинских  препаратов, минерального сырья, почв и др.) . Служба также обеспечивает разработку средств сопоставления характеристик стандартных образцов с характеристиками веществ и материалов, которые производятся промышленными, сельскохозяйственными и другими предприятиями для их идентификации или контроля.

    ГСССД занимается созданием достоверных  характеристик физических констант, свойств веществ и материалов, минерального сырья и др., периодически публикуя справочные данные.

    2) МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕСЛУЖБЫ ГОСУДАРСТВЕННЫХ ОРГАНОВ УПРАВЛЕНИЯ И ЮРИДИЧЕСКИХ ЛИЦ.

    Метрологические службы государственных органов управления и юридических лиц создаются для выполнения работ по обеспечению единства измерений, повышения уровня метрологического обеспечения. Допускается возложение отдельных функций метрологической службы на иные структурные подразделения. Метрологические службы государственных органов управления и юридических лиц организуют свою деятельность на основе положений Закона РФ "Об обеспечении единства измерений", других законодательных и нормативных документов, регламентирующие вопросы метрологии. Основные задачи, права и обязанности метрологических служб государственных органов управления и юридических лиц независимо от форм собственности определены в ПР 50.732-93 "ГСИ. Типовое положение о метрологической службе государственных органов управления и юридических лиц".

    Метрологическая служба государственного органа управления представляет собой систему, образуемую приказом руководителя государственного органа управления, которая может  включать: подразделение (службу) главного метролога в центральном аппарате; головные и базовые организации метрологической службы в отраслях; метрологические службы предприятий,

    К основным задачам метрологических  служб относятся:

-калибровка  средств измерений;

-надзор  за состоянием и применением средств измерений, аттестованными методиками выполнения измерений, эталонами единиц величин, применяемыми для калибровки средств измерений, соблюдением метрологических правил и норм, нормативных документов по обеспечению единства измерений;

-выдача  обязательных предписаний, направленных на предотвращение, прекращение или устранение нарушений метрологических правил и норм;

-проверка  своевременности представления  средств измерений на испытания  в целях утверждения типа средств  измерений, а также на поверку  и калибровку;

- анализ  состояния измерений, испытания  и контроля на предприятии,  в организации.

    Метрологические службы предприятий должны уделять  особое внимание состоянию измерений, соблюдению метрологических правил и норм в сферах деятельности предприятия, предусмотренных Законом (ст. 13): при испытаниях и контроле качества продукции в целях определения соответствия обязательным требованиям государственных стандартов, при выполнении предприятием работ по обязательной сертификации продукции и услуг и др.

    Специалисты метрологических служб предприятия должны принимать активное участие в аттестации испытательных подразделений, в подготовке к сертификации систем качества.

    Метрологические службы могут быть аккредитованы  на техническую компетентность а  осуществлении конкретной деятельности в области обеспечения единства и требуемой точности измерений.

    3.2. Научная основа метрологического обеспечения

    Метрология - наука об измерениях, методах и  средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой  точности.

    3.3. Технические основы метрологии

1. система государственных  эталонов единиц физических величин, обеспечивающая воспроизведение единиц с наивысшей  точностью;
2. система передачи размеров единиц физических величин от эталона всем средствам измерений с помощью образцовых средств измерений и других средств поверки;
3. система разработки, постановки на производство и выпуска в обращение рабочих средств измерений, обеспечивающих определение с требуемой точностью характеристик продукции, технологических процессов и других объектов в сфере материального производства, при научных исследованиях и других видах деятельности;
4. система обязательных государственных испытаний средств измерений, обеспечивающая единообразие средств измерений при разработке и выпуске в обращение;
5. система стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов, обеспечивающая воспроизведение единиц величин, характеризующих состав и свойства веществ и материалов.

    4. Закономерности формирования  результата измерения.

    Результаты  измерений являются продуктами нашего познания. Представляя собой приближенные оценки значений величин, найденные путем измерения, они зависят не только от них, но еще и от метода измерения, от технических средств, с помощью которых проводятся измерения, и от свойств органов чувств наблюдателя, осуществляющего измерения.

    Разница между результатами измерения X' и истинным значением Q измеряемой величины называется погрешностью измерения.

    1. Целью измерений является определение  истинных значений постоянной  или переменной величины. Результат  измерения является реализация  случайной величины равной сумме  истинного значения и погрешности.

    2. Наименьшие разряды числовых  значений результатов должны быть такими же, как и наименьшие разряды числовых значений отклонения абсолютной погрешности измерений.

    3. В качестве функций плотности  распределения вероятности погрешности  измерения или ее составляющих, следует принимать закон близкий к нормальному усеченному при соблюдении следующих условий: имеются основания полагать, что реальная функция плотности распределения симметричная, одно-модальная отличная от нуля на конечном интервале значений аргумента и другая информация о плотности распределения отсутствует.

    4. В тех случаях, когда нет  оснований, полагать, что эти условия  выполняются, принимают другую аппроксимирующую службу.

    5. Характеристики погрешностей измерений  указываются в единицах измеренной  величины (абсолютные) и в процентах (относительные) относительно результатов измерения.

    6. Характеристики погрешностей и  их статические оценки выражаются  числом, содержащим не более двух  значащих цифр. При этом третий  разряд округляется в большую  сторону. Допускается выражать  одной значащей цифрой.

    7. Характеристики погрешностей измерений  и условия, для которых они  действительно должны указываться  совместно с результатом измерения,  к которому они относятся или  документе, удостоверяющих свойства методики выполнения измерения.

    8. Представление результатов измерений изменяющихся во времени сопровождается указанием моментов времени соответствующих каждому из результатов. 

    9. Представление результатов измерений  полученных как среднее арифметическое  значение результатов многократных  наблюдений должно сопровождаться  показанием числа измерений и интервала времени, в течение которого они проведены.

    10.По  результатам испытаний образцов (проб) продукции принимается результат  измерения параметра определенного  при испытании, при фактических  установленных значений параметров  условий испытаний. Результат должен сопровождаться указанием характеристик погрешностей, а так же номинальное значение параметров условий испытаний.

    На  процесс измерения и получение  результата измерения оказывает  воздействие множество факторов: характер измеряемой величины, качество применяемых средств измерений, метод измерений, условия окружающей среды (температура, влажность, давление и др.), индивидуальные особенности оператора (специалиста, выполняющего  измерения) и др. Поэтому результат измерений будет отличаться от истинного значения измеряемой величины.    Отклонение  результата измерений от истинного значения измеряемой  величины  называют погрешностью измерения. Это теоретическое определение, так как истинное значение величины неизвестно. При метрологических работах вместо истинного значения  используют действительное, за которое принимают обычно  показание эталонов. В практической деятельности вместо истинного значения используют ее оценку.    По   форме  числового выражения погрешности  измерений подразделяются на абсолютные и  относительные (определяются отношением  абсолютной погрешности к истинному значению измеряемой  величины (выражаются в единицах измеряемой величины). Например, вагон массой 50 т измерен с абсолютной погрешностью ± 50 кг, а относительная погрешность составляет ±0,1%.    По  источникам возникновения погрешности подразделяют на инструментальные  (обусловлены свойствами средств измерений), методические (возникают вследствие неправильного выбора модели измеряемого свойства объекта, несовершенства принятого метода  измерений, допущений  и упрощений при  использовании эмпирических  зависимостей и др.) и субъективные (погрешности оператора). С учетом такой классификации приведены способы оценивания  погрешностей измерении в НД по метрологии.     По характеру проявления погрешности измерений подразделяют   на систематические и случайные. Систематическая погрешность остается постоянной или изменяется по определен ному закону при повторных измерениях одной и той же вели чины. Если известны  причины, вызывающие  ее появления, то  ее можно обнаружить и исключить из результатов измерений.  Случайная погрешность изменяется случайным образом при повторных  измерениях одной и той же величины. В отличие от  систематической ее нельзя исключить из результатов измерений.  Однако  ее влияние может быть уменьшено  путем применения  специальных способов обработки результатов измерений, основанных  на положениях теории  вероятности и математической  статистики.     Для  характеристики качества измерений применяют такие  термины,  как точность, правильность, сходимость и воспроизводимость измерений.        

 Точность  — качество измерений, отражающее  близость их результатов к  истинному значению измеряемой  величины. Высокая точность измерений  соответствует малым погрешностям  всех видов, как систематических, так и случайных.    Правильность — качество измерений, отражающее близость к нулю  систематических погрешностей в их результатах. Результаты измерений  правильны постольку, поскольку они не искажены систематическими погрешностями.    Сходимость  —  качество измерений, отражающее  близость друг другу результатов измерений, выполняемых в одинаковых условиях (одним и тем же средством измерений, одним и тем же оператором). Для методик выполнения измерений это одна из важнейших характеристик.     Воспроизводимость — качество измерений, отражающее близость друг к другу результатов измерений, выполняемых в раз личных условиях (в различное время, в разных местах, разными методами и средствами измерений). В процедурах испытаний продукции воспроизводимость является одной из важнейших характеристик.     В Законе РФ «Об  обеспечении единства измерений» установлено, что его положения направлены на  защиту интересов  граждан, правопорядка и экономики страны от последствий не достоверных результатов измерений.     Для реализации положений Закона  любая измерительная  информация  (приводимая в нормативных и технических документах, справочных пособиях и научно-технической литературе   и др.), предназначенная для практического- использования,   должна сопровождаться указанием характеристик погрешности   измерений. В зависимости от назначения результатов измерений, сложности и ответственности решаемых задач номенклатура выбираемых характеристик погрешностей измерений может   быть различной. Однако во всех случаях она должна обеспечивать возможность сопоставления и совместного использования   результатов измерений, достоверную оценку качества и эффективности решаемых измерительных задач.      Указанным требованиям удовлетворяют комплексы характеристик погрешности измерений, применение которых рекомендованы МИ   1317—86 <ГСИ. Результаты и характеристики погрешности   измерений. Формы  представления. Способы использования при   испытаниях образцов продукции и контроле их параметров».      Погрешности  измерений оказывают  влияние на результаты   контроля и испытания образцов продукции. При контроле продукции, параметры качества которых находятся близко к границе допускаемых значений, из-за погрешности измерений часть годных изделий может быть забракована (вероятности ошибок контроля первого рода Pi), а бракованные изделия могут быть приняты как годные (ошибки контроля второго рода Рз). Вероятности ошибок первого и  второго рода являются критериями достоверности контроля. Характеристики погрешности измерений  должны выбираться при контроле образцов продукции  в соответствии с требованиями достоверности контроля.