1. Основы теории измерений

Основной постулат метрологии

Выше, при рассмотрении количественной характеристики измеряемых величин, было упомянуто уравнение измерения, в котором отражена процедура сравнения неизвестного размера 0_ с известным [£)] : ОЛШ = X. В качестве единицы измерения [0_ при измерении величин выступает соответствующая единица Международной системы единиц. Информация о ней заложена либо в градуированной характеристике СИ, либо в разметке шкалы отсчетного устройства, либо в значении вещественной меры. Указанное уравнение является математической моделью измерения по шкале отношений.

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

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

Субъект, т.е. оператор, привносит в результат измерения элемент субъективизма, который по возможности должен быть сведен к минимуму. Он зависит от квалификации оператора, санитарно-гигиенических условий труда, его психофизиологического состояния, учета 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 освещенности не менее 50—70 лк. Максимальная острота зрения наступает при освещенности 600—1000 лк. В оптимальных условиях продолжительность ясного видения (с хорошей остротой) при непрерывной работе составляет 3 ч. Уровень шума в лабораториях 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 ч и в вечерние часы работоспособность, как правило, снижается, а в ночную смену она минимальна.

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

По данным профессора М. Ф. Маликова, в зависимости от индивидуальных особенностей операторов, связанных с их реакцией, измерительными навыками и т.п., неточность глазомерного отсчета по шкалам измерительных приборов достигает ±0,1 деления шкалы.

Метод измерений — логическая последовательность операций, описанная в общем виде и используемая при выполнении измерений. Очень часто измерение одной и той же величины постоянного размера разными методами дает различные результаты, причем каждый из них имеет спои недостатки и достоинства. Искусство оператора состоит в том, чтобы соответствующими способами исключить, компенсировать или учесть факторы, искажающие результаты. Если измерение не удается выполнить так, чтобы исключить или компенсировать какой-либо фактор, влияющий на результат, то в последний в ряде случаев вносят поправку.

Поправки могут быть аддитивными (от лат. "additi-vus" — прибавляемый) и мультипликативными (от лат. "multiplico" — умножаю). Например, для расчета сопротивления измеряют значение электрического тока, протекающего через резистор, и падение напряжения на нем. 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 учету мультипликативной поправки): при измерении ЭДС вольтметром учитывают сопротивление источника питания путем умножения показания вольтметра на поправочный множитель, определяемый расчетным путем.

Влияние СИ на измеряемую величину во многих случаях проявляется как возмущающий фактор. Например, ртутный термометр, опущенный в пробирку с охлажденной жидкостью, подогревает ее 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, па которую нужно делать аддитивную поправку при подсчете.

Условия измерения как фактор, влияющий на результат, 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.

Учет указанных факторов предполагает исключение ошибок и внесение поправок к измеренным величинам.

Появление ошибок вызвано недостаточной надежностью 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 однократном измерении ошибка может быть выявлена при сопоставлении результата с априорным представлением о нем или путем логического анализа. Измерения повторяют для устранения причины ошибки.

При многократном 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 трех сигм": если при многократном измерении сомнительный результат отдельного измерения отличается от среднего больше чем на За (а — среднее квадратическое отклонение значения измеряемой величины от среднего значения), то с вероятностью 0,997 он является ошибочным и его следует отбросить.

Прежде чем обрабатывать ряд измерений, необходимо убедиться в том, что все они являются равноточными. Неравноточные измерения обрабатывают с целью получения результата только в том случае, когда невозможно получить ряд равноточных измерений.

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, выполненный П. Ф. Ященко, 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% обусловливается неисправностью СИ.

2. Методика выполнения измерений

Па обеспечение качества измерений направлено применение аттестованных методик выполнения измерений (МВИ).

Методика измерений — совокупность конкретно описанных операций, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с установленными показателями точности.

Как очевидно из определения, под МВИ понимают технологический процесс измерений. Методика измерений реализуется на основе того или иного метода. 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).

Чтобы измерительная процедура превратилась в МВИ, необходимо соблюсти два условия: 1) должна быть изложена в некотором официальном документе (стандарте, специальном метрологическом документе); 2) ей должны быть приписаны численные значения выбранных характеристик точности, которые гарантируются разработчиком МВИ.

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

На проверяемом объекте (в лаборатории, испытательном центре) должны быть два перечня: а) перечень измерительных процедур с указанием соответствующих процедур, реализуемых в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений; б) перечень методик измерений, выполняемых в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений. При этом следует контролировать "совпадение" двух указанных перечней.

В документах (разделах, частях документов), регламентирующих МВИ, в общем случае указывают: назначение МВИ; условия измерений; требования к погрешности измерений; метод (методы) 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 выполняемых работ.

При разработке МВИ одним из основных исходных требований являются требования к точности измерений, которые предусматривают установление в качестве показателей точности измерений:

• характеристики погрешности измерений;

• показатели неопределенности измерений в соответствии с (4.8);

• показатели точности по ГОСТ Р ИСО 5725-1.

Наиболее распространенным способом выражения требований к точности измерений являются границы допускаемого интервала, в котором с заданной вероятностью Р должна находиться погрешность измерений.

Если граница симметрична, то перед их числовым значением ставятся знаки "±". 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 оценивание погрешности измерений путем 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).

ГОСТ Р ИСО 5725-1 устанавливает методику сопоставления результатов, полученных в разное время, в разных лабораториях, разными методами. Подобные сопоставления очень актуальны для аккредитации испытательных лабораторий (см. разд. 4 Введения в дисциплину).

Создание системы контроля точности результатов измерений в соответствии со стандартами серии ИСО 5725 позволит нашей стране избежать убытков во внешней торговле. Как отмечал один ид бывших руководителей Госстандарта России: "Мы сегодня проигрываем в поставках природного газа, причем на системах намерения качества и количества газа ежегодно теряем более 1 млрд долл.; очень важно применение и развитие международных стандартов у нас в стране, потому что весь мир измеряет качество и количество природного газа на стандартах ИСО, а мы предлагаем свои"".

Согласно (1.2) "Государственный эталон единицы величины — эталон единицы, находящийся в федеральной собственности".

В соответствии с этим определением не играет роли, в чье ведении находится эталон: в институтах или региональных центрах Росстандарта или в унитарных предприятиях и учреждениях.

3.4. Требования к средствам измерений

К средствам измерений, которые используют в сфере, регулируемой государством", предъявляются метрологические, технические и законодательные требования.

К метрологическим требованиям относится установление диапазона измерений и предела допускаемой погрешности измерений СИ, т.е.

наибольшей (без учета знака) погрешности СИ, при которой она может быть допущена к применению.

К техническим требованиям относятся требования к конструкции, составным частям, программному обеспечению, условиям монтажа и эксплуатации СИ.

К законодательным требованиям относятся требования обязательности утверждения типа, поверки и оформления и представления их результатов (в том числе клеймения СИ). При применении СИ должны соблюдаться обязательные требования к условиям эксплуатации.

Обязательные требования к СИ распространяются не только на те из них, которые являются непосредственным объектом государственного метрологического надзора, но и те СИ, которые используются при формах оценки соответствия, установленных ФЗ о техническом регулировании.

Литература

1. Анисимов, В.П. Метрология, стандартизация и сертификация (в сфере туризма): Учебное пособие / В.П. Анисимов, А.В. Яцук. - М.: Альфа-М, НИЦ ИНФРА-М, 2013. - 253 c.

2. Аристов, А.И. Метрология, стандартизация и сертификация: Учебник для студентов учреждений высшего профессионального образования / А.И. Аристов, Л.И. Карпов, В.М. Приходько. - М.: ИЦ Академия, 2013. - 416 c.

3. Аристов, А.И. Метрология, стандартизация, сертификация: Учебное пособие / А.И. Аристов, В.М. Приходько, И.Д. Сергеев, Д.С. Фатюхин. - М.: НИЦ ИНФРА-М, 2013. - 256 c.

4. Архипов, А.В. Метрология. Стандартизация. Сертификация: Учебник для студентов вузов / А.В. Архипов, А.Г. Зекунов, П.Г. Курилов; Под ред. В.М. Мишин. - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2013. - 495 c.

5. Басаков, М.И. Основы стандартизации, метрологии, сертификации: 100 экзаменационных ответов / М.И. Басаков. - Рн/Д: Феникс, ИКЦ МарТ, 2010. - 224.

6. Берновский, Ю.Н. Стандартизация: Учебное пособие / Ю.Н. Берновский. - М.: Форум, 2012. - 368 c.

7. Боларев, Б.П. Стандартизация, метрология, подтверждение соответствия: Учебное пособие / Б.П. Боларев. - М.: НИЦ ИНФРА-М, 2013. - 254 c.

8. Вдовин, С.М. Система менеджмента качества организации : [учеб. пособие] / С.М. Вдовин, Т.А. Салимова, Л.И. Бирюкова. - М. : ИНФРА-М, 2012 - 297 с.

9. Димов, Ю.В. Метрология, стандартизация и сертификация: Учебник для вузов. Стандарт третьего поколения / Ю.В. Димов. - СПб.: Питер, 2013. - 496 c.

10. Дубовой, Н.Д. Основы метрологии, стандартизации и сертификации: Учебное пособие / Н.Д. Дубовой, Е.М. Портнов. - М.: ИД ФОРУМ, НИЦ ИНФРА-М, 2013. - 256c.