Основные характеристики и критерии качества измерений

 

К основным характеристикам измерений, которые определяют и качество измерений, относятся: принцип, метод, погрешность результатов измерения, точность, пра­вильность, сходимость и воспроизводимость результатов измерений, предел и границы обнаружения.

Приведем определения основных характеристик из­мерений.

Принцип измерений — явление, закон или эффект, по­ложенные в основу измерений. Например, применение эффекта Доплера для измерения скорости движения звезд, вращения небесных тел.

Метод измерений — прием или совокупность приемов сравнения измеряемой величины с ее единицей в соот­ветствии с реализованным принципом измерений. Методы измерений классифицируются по различным признакам. Один из них — это физический принцип, лежащий в основе измерений. Например, проведение измерений с помощью ядерного магнитного резонанса (магнитные измерения), электронной спектроскопией (оптические измерения) и др. Наиболее распространенное деление методов измерений — это на методы непосредственной оценки и методы сравнения. Метод непосредственной оценки позволяет определить значение величины по по­казанию средства измерения, которое заранее проградуировано в единицах измеряемой величины или в единицах других величин, от которых она зависит. Метод сравнения предусматривает сопоставление измеряемой величины с величиной, воспроизводимой мерой. Особенностью этого метода является непосредственное участие мер в процессе измерения. Методы сравнения подразделяются на дифференциальный, нулевой, замещения и совпадений. Каждый метод измерений характеризуется определенной погрешностью измерений.

Погрешность измерений — отклонение результатов измерений от истинного (действительного) значения из­меряемой величины. Погрешность измерений представ­ляет собой сумму целого ряда составляющих, каждая из которых имеет свою причину.

Сходимость — близость друг к другу результатов из­мерений одной и той же величины, полученных по одной методике, выполненных одним и тем же средством измерений, одним и тем же оператором в одинаковых условиях, в одной и той же лаборатории.

Воспроизводимость — близость результатов измере­ний одной и той же величины, полученных по единой методике, выполненной в разных лабораториях, разными экземплярами средств измерений, разными операторами, в разное время. Воспроизводимость результатов измерений зависит также от однородности и стабильности характе­ристик испытуемого образца.

Точность — характеристика качества измерений, от­ражающая близость к нулю погрешности результатов измерений. Высокая точность измерений соответствует малым величинам погрешностей измерения.

В 2002 г. в России введены в действие национальные стандарты ГОСТ Р ИСО 5725-2002 часть 1-6 под общим заголовком «Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений», которые являются прямым применением шести частей основополагающего международного стандарта ИСО 5725. Эти стандарты ис­пользуются в практической деятельности при разработке, аттестации и применении методик выполнения изме­рений, стандартизации методик контроля (испытаний, измерений, анализа), испытаниях продукции, в том числе для целей подтверждения соответствия, оценки компетен­тности испытательных лабораторий согласно требованиям ГОСТ Р ИСО/МЭК 17025-2006. Стандарты ИСО 5725 могут применяться для оценки точности выполнения измерений различных величин, характеризующих изме­ряемые свойства того или иного объекта, в соответствии со стандартизованной процедурой. Следует отметить, что в отечественной метрологии точность и погрешность результатов измерений, как правило, определяются срав­нением результатов измерений с истинным или дейст­вительным (условно истинным) значением измеряемой величины. Часто за действительное значение принимают общее среднее значение (математическое ожидание) установленной совокупности результатов измерений. В ИСО 5725 вместо термина «действительное значение» введен термин «принятое опорное значение», который и рекомендуется для использования в практике. Термины «правильность» и «прецизионность» в отечественных нор­мативных документах по метрологии до введения серии стандартов ГОСТ Р ИСО 5725 не использовались.

Дадим определение этих терминов.

Правильность характеризует степень близости среднего арифметического значения большого числа результатов измерений к истинному (действительному) или принятому опорному значению. Показателем правильности обычно является значение систематической погрешности.

Прецизионност ь — степень близости друг к другу независимых результатов измерений, полученных в кон­кретных регламентированных условиях. Мера прецизион­ности обычно вычисляется как стандартное отклонение результатов измерений. Крайние показатели прецизион­ности — повторяемость (сходимость) и воспроизводимость широко используются в отечественных нормативных документах, в том числе в большинстве национальных стандартов на методы контроля. Термин «точность» в со­ответствии с ГОСТ Р ИСО 5725-1—2002 определяется как степень близости результата измерений к применяемому опорному значению.

Внедрение стандартов ГОСТ Р ИСО 5725 направлено на более эффективную реализацию требований националь­ной системы стандартизации при разработке стандартов на методы контроля продукции различных отраслей промышленности.

Таким образом, при правильном выборе метода из­мерений, повышая такие показатели, как точность, пра­вильность, уменьшая погрешности измерений, можно достигать высокого качества измерений.

 

 

Лекция № 7

Средства измерений

 

Измерения выполняются с помощью специальных технических средств, имеющих нормированные метроло­гические характеристики, воспроизводящие и хранящие единицу измеряемой величины, размер которой принима­ется неизменным в пределах установленной погрешности в течение известного интервала времени, Такие техничес­кие средства являются средствами измерений. Данное оп­ределение раскрывает метрологическую сущность средства измерения, заключающуюся, во-первых, в «умении» хра­нить (или воспроизводить) единицу измеряемой величины и, во-вторых, в неизменности размера хранимой единицы. К средствам измерений относятся меры, компараторы, измерительные преобразователи и приборы, измеритель­ные установки, системы и комплексы (рис. 8.3).

 

Рис. 8.3. Классификация средств измерений

Меры предназначены для воспроизведения и (или)хранения величины одного или нескольких заданных
размеров. К мерам, например, относятся гири, концевые меры длины, нормальные элементы. Меры, воспроизводящие измеряемую величину одного размера, называются однозначными. Меры, воспроизводящие измеряемую величину разных размеров, называются многозначными. Примером многозначной меры является миллиметровая линейка, воспроизводящая, наряду с миллиметровыми, также и сантиметровые размеры длины. Применяются также меры в виде наборов и магазинов мер.

 

Часто к однозначным мерам относят стандартные образцы и стандартные вещества. Указанное на мере значение величины является номинальным значением меры. В специальном свидетельстве, придаваемом мере, указывается действительное значение, определенное при высокоточных измерениях с помощью соответствующего эталона. Разность между номинальным и действительным значениями называется погрешностью меры. Величина, обратная погрешности меры по знаку, представляет по­правку к номинальному значению меры.

Измерительные преобразователи предназначены для преобразования измеряемой величины в другую вели­чину или измерительный сигнал с целью представления измеряемой величины в форме, удобной для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи. Данные преобразователи входят в состав изме­рительных приборов, установок, систем или применяются вместе с каким-либо средством измерений. Самым распро­страненным по количеству видом средств измерений явля­ются первичные измерительные преобразователи, которые служат для непосредственного восприятия измеряемой ве­личины, как правило, неэлектрической, и преобразования ее в другую величину — электрическую.

По характеру преобразования измерительные пре­образователи разделяются на аналоговые, аналого-цифровые (АЦП), Цифро-аналоговые (ЦАП). Указанные преоб­разователи почти всегда являются промежуточными.

Измерительные приборы предназначены для полу­чения значений измеряемой величины в установленном диапазоне. Измерительные приборы представляют собой конструктивно объединенную совокупность первичных и промежуточных преобразователей.

Измерительные приборы прямого действия преобразуют измеряемую величину, как правило, без изменения ее рода и отображают ее на показывающем устройстве, проградуированном в единицах этой величины (амперметры, вольтметры и др.).

Более точными являются приборы сравнения, предна­значенные для сравнения измеряемых величин с величи­нами, значения которых известны. Например, измерение массы с помощью эталонных гирь на равноплечных ве­сах или с помощью мостовых цепей. По способу отчета значений измеряемых величин приборы подразделяются на показывающие, в том числе на аналоговые и цифровые, и регистрирующие. Регистрирующие приборы по способу записи делятся на самопишущие и печатающие. В самопи­шущих приборах запись показаний представляется в гра­фическом виде, в печатающих — в числовой форме.

Измерительные установки и системы представляют со­бой совокупность функционально объединенных средств измерений, мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств с целью измерений одной или нескольких величин объ­екта измерений.

В настоящее время большинство измерительных систем являются автоматизированными. Несмотря на различные наименования (АИС — автоматизированная измеритель­ная система, ИИС — информационно-измерительная система, ИВК — измерительно-вычислительный комп­лекс), все они по существу обеспечивают автоматизацию процессов измерений, обработки и отображения резуль­татов измерений. Измерительные системы и комплексы широко используются для автоматизации технологических процессов в различных отраслях промышленности.

 

 

Лекция № 8