Основные сведения из метрологии

1.1. Определение понятий метрология, стандартизация, сертификация

Метрология - наука об измерениях, о способах достижения требуемой точности и достоверности, корректной записи результатов, об обеспечении единства измерений.

Стандартизация - системная деятельность в любой области и на любом уровне, основанная на системе стандартов.

Сертификация - подтверждение соответствия требованиям, изложенным в нормативных документах, как правило, в стандартах.

В разделах "Стандартизация" и "Сертификация" приведены более полные определения, в соответствии с федеральным законом "О техническом регулировании".

1.2. Технические измерения

Измерения могут быть классифицированы по метрологическому назначению на три категории:

Ненормированные - измерения при ненормированных метрологических характеристиках.

Технические - измерения при помощи рабочих средств измерений.

Метрологические - измерения при помощи эталонов и образцовых средств измерений.

Ненормированные измерения наиболее простые. В них не нормируются точность и достоверность результата. Поэтому область их применения ограничена. Они не могут быть применены в области, на которую распространяется требование единства измерений. Каждый из нас выполнял ненормированные измерения длины, массы, времени, температуры не задумываясь о точности и достоверности результата. Как правило, результаты ненормированных измерений применяются индивидуально, т.е. используются субъектом в собственных целях.

Технические измерения удовлетворяют требованиям единства измерений, т.е. результат бывает получен с известной погрешностью и вероятностью, записывается в установленных единицах физических величин, с определенным количеством значащих цифр. Выполняются при помощи средств измерений с назначенным классом точности, прошедших поверку или калибровку в метрологической службе. В зависимости от того, предназначены измерения для внутрипроизводственных целей или их результаты будут доступны для всеобщего применения, необходимо выполнение калибровки или поверки средств измерений. Средство измерений, прошедшее калибровку или поверку, называют рабочим средством измерений. Примером технических измерений является большинство производственных измерений, измерение квартирными счетчиками потребленной электроэнергии, измерения при взвешивании в торговых центрах, финансовые измерения в банковских терминалах. Средство измерений, применяемое для калибровки других средств измерений, называют образцовым средством измерений. Образцовое средство измерений имеет повышенный класс точности и хранится отдельно, для технических измерений не применяется.

Метрологические измерения не просто удовлетворяют требованиям единства измерений, а являются одним из средств обеспечения единства измерений. Выполняются с целью воспроизведения единиц физических величин для передачи их размера образцовым и рабочим средствам измерений. Метрологические измерения выполняет метрологическая служба в стандартных условиях, сертифицированным персоналом.

В дисциплине "Метрология, стандартизация и сертификация" рассматриваются технические измерения.

1.3. Класс точности

Класс точности - обобщенная метрологическая характеристика средства измерения.

Класс точности определяется и обозначается по-разному. Наибольшее распространение получили три варианта, каждый представляет собой выраженное в процентах значение относительной погрешности:

Рассмотрим эти три варианта.

Вариант 1. Относительная погрешность

Чтобы по классу точности определить значение абсолютной погрешности, результат измерения умножают на класс точности и делят на сто, чтобы избавиться от процентов. Например, вольтметром класса точности 0,1 получено значение 10,000 В.

Абсолютная погрешность составит: $$(10,000В\cdot 0,1 \%)/100\% = 0,010В$$. Запись результата: $$(10,000\pm 0,010)В$$, с вероятностью $$95\%$$ (эта вероятность по умолчанию назначается для технических измерений, исходя из этой вероятности определяется и класс точности). При нормировании по относительной погрешности, значение класса точности заключают в кружок. Как правило, обозначение класса точности размещают в правом нижнем углу на шкале средства измерений.

Вариант 2. Приведенная погрешность

Чтобы по классу точности определить значение абсолютной погрешности, максимальное значение шкалы умножают на класс точности и делят на сто, чтобы избавиться от процентов. Например, вольтметром класса точности 0,1 получено значение 10,000 В. Максимальное значение шкалы составляет 20,000 В.

Абсолютная погрешность составит: $$(20,000В\cdot 0,1\%)/100\% = 0,020В$$. Запись результата: $$(10,000\pm 0,020)В$$, с вероятностью $$95\%$$. При нормировании по приведенной погрешности, значение класса точности не сопровождают никакими знаками.

Вариант 3. Приведенная к участку шкалы погрешность

Чтобы по классу точности определить значение абсолютной погрешности, размер участка шкалы умножают на класс точности и делят на сто, чтобы избавиться от процентов. Рассмотрим два примера, для случая, когда вся шкала поделена на два участка.

Пример 1. Участок шкалы от 0,000 В до 12,000 В, отмечен галочкой. Вольтметром класса точности 0,1 получено значение 10,000 В.

Абсолютная погрешность составит: $$(12,000В\cdot 0,1 \%)/100\% = 0,012В$$. Запись результата: $$(10,000\pm 0,012)В$$, с вероятностью $$95\%$$.

Пример 2. Участок шкалы от 12,000 В до 20,000 В, также отмечен галочкой. Вольтметром класса точности 0,1 получено значение 15,000 В.

Абсолютная погрешность составит: $$(8,000В\cdot 0,1 \%)/100\% = 0,008В$$. Запись результата: $$(15,000\pm 0,008)В$$, с вероятностью $$95\%$$. При нормировании по приведенной к участку шкалы погрешности, значение класса точности помещают над галочкой. Участки шкалы, относительно которых нормируется погрешность, обозначают галочками.

Варианты классов точности обусловлены отличием конструктивных, системных и схемотехнических решений средств измерений.

1.4. Корректная запись результатов

Запись результатов измерений производится по следующим правилам.

Рассмотрим пример. Результат измерения: 10,645701, погрешность 0,012908.

Корректная запись: $$10,646\pm 0,013$$.

Корректная запись обеспечивает адекватность и сопоставимость результатов различных измерений и является одним из элементов единства измерений. Как правило, отбрасывание избыточных цифр не приводит к дополнительной погрешности, поскольку избыточные цифры обусловлены точностью вычислений, а не точностью измерений.

1.5. Поверка

Общее определение поверки следующее.

Поверка - передача размеров единиц физических величин от эталонов высокого уровня к эталонам нижнего уровня и далее к образцовым и рабочим средствам измерений.

Законом об обеспечении единства измерений в Российской Федерации [1] даны более подробные определения.

Поверка средств измерений - совокупность операций, выполняемых органами государственной метрологической службы (другими уполномоченными на то органами, организациями) с целью определения и подтверждения соответствия средств измерений установленным техническим требованиям.

Калибровка средств измерений - совокупность операций, выполняемых с целью определения и подтверждения действительных значений метрологических характеристик, пригодности к применению средств измерений, не подлежащих государственному метрологическому контролю и надзору.

Калибровка или поверка средств измерений выполняются в зависимости от того, предназначены измерения для внутрипроизводственных целей или их результаты будут доступны для всеобщего применения.

Калибровка, как правило, выполняется метрологическими службами юридических лиц. Поверка и калибровка являются примерами метрологических измерений. Для выполнения этих измерений метрологическая служба должна быть аккредитована национальным органом по метрологии. Долгое время функции аккредитующего органа выполнялись Госстандартом России. После вступления в силу в 2003 году закона "О техническом регулировании" Госстандарт был упразднен и его функции выполняет федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии (Ростехрегулирование). В Татарстане уполномоченным аккредитующим органом является татарстанский центр по стандартизации и метрологии (ТатЦСМ), расположенный в Казани по адресу: ул. Журналистов, 24.

По результатам поверки выдается свидетельство о поверке. В формуляре средства измерений указывается дата поверки, дата следующей поверки, ставится личный штамп поверителя. Эти же сведения, по возможности, размещаются на этикетке, непосредственно на средстве измерений. При необходимости, поверенное средство измерений пломбируется личным клеймом поверителя.

По результатам калибровки, на средство измерений оформляется аттестат, с подписями уполномоченных согласно свидетельству об аккредитации.

1.6. Государственный реестр средств измерений

Все средства измерений, предназначенные для серийного производства, ввоза из-за рубежа и выпуска в обращение в России, подвергаются со стороны органов государственной метрологической службы обязательным государственным испытаниям, под которыми понимается экспертиза технической документации на средства измерений и их экспериментальные исследования для определения степени соответствия установленным нормам, потребностям народного хозяйства и современному уровню развития приборостроения, а также целесообразности их производства.

Государственные испытания средств измерений являются одним из элементов единства измерений. Испытания проводятся территориальными органами государственной метрологической службы (в Татарстане это ТатЦСМ).

Для проведения испытаний предприятие-производитель предоставляет партию приборов, а также сообщает необходимые сведения об условиях их производства и эксплуатации - сервисное обслуживание, заключенные договора с субпоставщиками на поставку материалов и комплектующих, сроки действия этих договоров, и т.п.

Выполнение таких мероприятий обеспечивает предсказуемость при эксплуатации прибора, т.е. выполнение с требуемой вероятностью определенных функций в определенном интервале времени, что предопределяет такие важные неметрологические характеристики, как ресурс, срок службы, наработка на отказ.

По результатам испытаний партии приборов, принимается решение о невозможности или о возможности включения всех приборов такого типа в Госреестр средств измерений. В случае включения в Госреестр, назначается класс точности средства измерений и назначается интервал периодической поверки.

Включение в Госреестр очень желательно, т.к. обеспечивает доступ к рынку сбыта, а также поднимает ценность прибора в глазах потребителя. Как показывает практика, один и тот же прибор, после внесения в Госреестр, может успешно продаваться по цене, в несколько раз превышающей цену, по которой он продавался до внесения в реестр.

Для того чтобы средство измерений продолжало оставаться в Госреестре, в течение всего времени производства проводят периодические контрольные испытания на базе предприятия - изготовителя. По окончании испытаний составляется акт о контрольных испытаниях, содержащий результаты испытаний, замечания, предложения и выводы.

Включение в Госреестр возможно не только на уровне типа средств измерений, но и на уровне отдельных экземпляров. В этом случае указывается серийный номер конкретного средства измерений, в отношении самого средства измерений выполняется весь комплекс работ по метрологической аттестации.

1.7. Система СИ

Международная система единиц, сокращенно СИ ( SI - начальные буквы французского наименования System International ).

В России система СИ принята на уровне стандарта в 1981 году. В 2002 году принята новая версия стандарта: ГОСТ 8.417-2002 "ГСИ. Единицы физических величин" [2]. Стандарт устанавливает единицы физических величин, наименования, обозначения, определения и правила применения этих единиц. Стандарт не устанавливает единицы величин, оцениваемых по условным шкалам, единицы количества продукции, а также обозначения единиц физических величин для печатающих устройств с ограниченным набором знаков (ГОСТ 8.430).

В качестве основных, согласно классификации СИ, приняты семь единиц: метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль, канделла. Им соответствуют следующие физические величины: длина, масса, время, сила электрического тока, термодинамическая температура, количество вещества, сила света.

Производная единица в системе СИ образуется из одной или нескольких основных единиц. Многим производным единицам присвоены собственные наименования (скорость, площадь). Семнадцати производным единицам присвоены собственные наименования по именам ученых.

Основные физические величины отображают наиболее естественные для современного человека свойства окружающего мира. Размеры единиц физических величин выбраны такими, чтобы они комфортно воспринимались органами чувств человека. Основные величины, согласно классификации СИ, приведены в табл. 1.1.

Для образования кратных и дольных единиц предусмотрены множители и приставки. Таблица 1.2 содержит множители и приставки согласно классификации СИ.

ГОСТ8.417-2002 наряду с единицами физических величин определяет единицы количества информации:

Стандартом МЭК 60027-2 от 01.1999 [3] определены более полные характеристики единиц количества информации (двоичных, или бинарных единиц), с определением бинарных приставок и множителей. Бинарные приставки: килобинарибит, килобинарибайт ( Kibit, KiB ).

При работе с двоичными единицами удобнее принимать за один килобайт не 1000 байт, а 1024 байт. Однако при этом возникает разночтение приставок, принятых в СИ. Это препятствует единству измерений. Для исключения разночтения, приняты собственные приставки для двоичных единиц, созвучные приставкам, принятым в системе СИ, но дополненные приставкой "бинари".

Эти сведения не нашли отражения в системе СИ, определенной ГОСТ8.417-2002. Стандарт, аналогичный МЭК 60027-2 от 01.1999, пока не принят в российской системе стандартизации. Поэтому сведения о двоичных множителях и приставках приведены только в международном варианте (табл. 1.3). В таблице 1.4 сопоставляются множители и приставки двоичные и принятые по классификации СИ.

1.8. Истинное и действительное значение физической величины, погрешность и вероятность

Физическая величина (кратко "величина") - свойство, в качественном отношении общее многим объектам, а в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта.

Количественное содержание этого свойства в объекте является размером физической величины. Получение информации о размере величины является содержанием любого измерения. Величину, которой присвоено числовое значение, равное единице, называют единицей физической величины.

Истинное значение физической величины идеальным образом отражает соответствующее свойство объекта. Практически получено быть не может.

Действительное значение физической величины находится как результат измерения и приближается к истинному значению настолько, что для данной цели может применяться вместо него.

Изображенная на рис 1.1 диаграмма отображает взаимосвязь понятий истинное значение (ИЗ), действительное значение (ДЗ) физической величины (ФВ), погрешность ( $$\Delta$$ ), вероятность $$Р$$.

Очевидно, что истинное значение с заданной вероятностью оказывается удалено от найденного в процессе измерения действительного значения на интервал, не превышающий погрешности. При прочих равных условиях (в первую очередь - при одинаковом числе наблюдений), если требуется назначить большую вероятность, интервал погрешности также возрастает.

Размеры $$P$$ и $$\Delta$$ взаимосвязаны: чем больше $$P$$, тем больше $$\Delta$$, следовательно, назначая высокую степень уверенности, мы рассматриваем наихудший вариант контролируемых событий. И наоборот, делая более неопределенными контролируемые посредством измерений события, мы получаем большую уверенность в том, что они произойдут. Например, вероятность того, что ракета попадет в точку, оставленную карандашом, близка к нулю. Если постепенно увеличивать размеры точки до размеров земного шара, то вероятность попадания ракеты в эту точку будет постепенно приближаться к единице.

Практически важным является требование одновременно увеличивать $$P$$ и уменьшать $$\Delta$$. Такую возможность дает увеличение числа наблюдений. Увеличением числа наблюдений можно добиться, соответственно, роста $$P$$ при фиксированной $$\Delta$$, или же уменьшения $$\Delta$$ при фиксированной $$P$$.

Из этих рассуждений становится понятно, почему не следует стремиться к максимальной точности измерений или требовать чрезмерно высокую достоверность результатов. Это потребует дополнительных наблюдений, сделает измерения слишком дорогими.