Метрология, стандартизация и сертификация Метрология — это наука

Метрология, стандартизация и сертификация Метрология - это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности Лекция 2 Основные сведения из практической метрологии 1

Принято различать теоретическую, прикладную и законодательную метрологии. Метрология законодательная – раздел метрологии, включающий взаимосвязанные законодательные и научно-технические вопросы, нуждающиеся в регламентации со стороны государства и (или) мирового сообщества для обеспечения единства измерений. Метрология прикладная (практическая) – раздел метрологии, в котором изучаются и разрабатываются вопросы практического применения положений теоретической и законодательной метрологии Метрология теоретическая – раздел метрологии, в котором изучаются и разрабатываются её теоретические основы (теория измерений, принципы построения эталонов шкал и единиц измерений; исследования по применению для измерений фундаментальных физических констант и характеристик внутриатомных процессов; совершенствование понятийной базы метрологии, системы единиц измерений, метрологической терминологии; разработка научных основ государственной 2 системы обеспечения единства измерений).

Метрология. Список литературы 1. Федеральный закон “Об обеспечении единства измерений” № 102 -ФЗ от 26 июля 2008 г. 2. ФЗ РФ от 27. 12. 2002 г. № 184 «О техническом регулировании» (с изменениями). 3. ФЗ РФ от28 декабря 2013 года. № 412 «Об аккредитации в национальной системе аккредитации» (с изменениями). 4. Пронкин Н. С. Основы метрологии динамических измерений. Изд. "Логос", М. , 2003 5. Пронкин Н. С. Основы метрологии. Практикум по метрологии и измерениям. Изд. "Логос", М. , 2007. 6. РМГ 43 -2001 Применение “Руководства по выражению неопределенности измерений”, Межгосударственный совет по МСС, Минск, Изд. станд. , 2002. 7. VIM. Международный словарь основных и общих терминов в метрологии, 2 - ое издание, 1993, ISO, Женева, Швейцария. . 8. РМГ 29 -99 Метрология. Основные термины и определения. Межгосударственный совет по МСС, Минск, Изд. станд. , 2000. 9. Брянский Л. Н. , Дойников А. С. , Крупин Б. Н. Метрология. Шкалы, эталоны, практика. - М. : Полиграфучасток ФГУП «ВНИИФТРИ» , 2004. 10. В. В. Законодательная метрология: учебное пособие – М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2012. – 271. 3

Измеряй всё доступное измерению и делай доступным всё недоступное ему. Г. Галилей «Наука начинается с тех пор, как начинают измерять: точная наука немыслима без меры. » Д. И. Менделеев 4

Задачи метрология • создание общей теории измерений; разработка теоретических (фундаментальных) основ метрологии; разработка прикладных вопросов метрологии; • обеспечение единства измерений и единообразия измерений; • разработка и внедрение систем единиц физических величин; • разработка и внедрение новейших эталонов и образцовых средств измерений; • разработка методов передачи размеров единиц рабочим средствам измерения; совершенствование поверочных схем; • законодательная метрология; разработка метрологических стандартов и нормативно-технических документов; • разработка и совершенствование принципов и методов измерений; • разработка методов оценки погрешности измерений и погрешности средств измерений; • разработка методов снижения погрешностей измерения и погрешностей средств измерений. 5

Основные определения • Физическая величина (ФВ) - одно из свойств физического объекта (физической системы, явления или процесса), общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них. • Истинное значение ФВ - значение ФВ, которое идеальным образом характеризует в качественном и количественном отношении соответствующую величину. • Действительное значение ФВ - значение ФВ, полученное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному значению, что в поставленной измерительной задаче может быть использовано вместо него. 6

Основные определения Погрешность измерения - отклонение результата измерения от действительного значения измеряемой величины: =x-Q. Точность измерения - качество измерения , отражающая близость к нулю погрешности результата измерения (РМГ 29 -99). Неопределенность измерений - параметр, связанный с результатом измерений и характеризующий рассеяние значений, которые можно приписать измеряемой величине (VIM-93, РМГ 29 -99, GUM). Единство измерений - состояние измерений, при котором их результаты выражены в допущенных к применению в РФ единицах величин, а показатели точности измерений не выходят за установленные границы Прослеживаемость - свойство эталона единицы величины, средства измерений или результата измерений, заключающееся в документально подтвержденном установлении их связи с государственным первичным эталоном или национальным первичным эталоном иностранного государства соответствующей единицы величины посредством сличения эталонов единиц величин, поверки, калибровки средств измерений 7

Основные определения первичная референтная методика (метод) измерений - референтная методика (метод) измерений, позволяющая получать результаты измерений без их прослеживаемости. Первичная референтная методика (метод) измерений, находящаяся в федеральной собственности, является государственной первичной референтной методикой (методом) измерений; референтная методика (метод) измерений - аттестованная методика (метод) измерений, используемая для оценки правильности результатов измерений, полученных с использованием других методик (методов) измерений одних и тех же величин; Методика референтного измерения (reference measurement procedure): тщательно изученная методика измерения, для которой установлена неопределенность измерения, соразмерная с предполагаемым применением, особенно при оценке правильности других методик измерения той же измеряемой величины и при аттестации стандартных образцов… 8

Классификация погрешностей измерений По причинам возникновения погрешности измерения разделяют на методическую, инструментальную и субъективную погрешности измерения. • Методическая погрешность ( M)- составляющая систематической погрешности измерения, возникающая из-за несовершенства принятого методов измерения. • Инструментальная погрешность ( СИ. ) - составляющая погрешности измерения, обусловленная погрешностью применяемого СИ. • Субъективная погрешность измерения ( CУБ) - это составляющая систематической погрешности измерений, обусловленная индивидуальными особенностями оператора (считывание показаний). • Суммарная погрешность равна: = M * СИ. * CУБ , Значок * обозначает объединение составляющих погрешностей измерения (алгебраическое, геометрическое и др. ) 9

Классификация погрешностей измерений Погрешность измерения равна разности между истинным значением ФВ Q и результатом измерения х. При проведении измерений явно проявляются два вида в общей погрешности измерения - это случайная и систематическая составляющие погрешности. • Случайная погрешность ( )— составляющая погрешности результата измерения, изменяющаяся случайным образом (по знаку и значению) при повторных измерениях, проведенных с одинаковой тщательностью, одной и той же ФВ. • Систематическая погрешность ( S) — составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же ФВ. • Грубая погрешность (промах) - погрешность результата отдельного измерения, входящего в ряд измерений, которая для данных условий резко отличается от остальных результатов этого ряда. 10

Схема классификации погрешностей Погрешности измерений Методические Инструментальные Отсчитывания Случайные Систематические Грубые 11

Классификация измерений Измерение - совокупность операций, выполняемых для определения количественного значения величины (ФВ). Измерения классифицируются по разным признакам: 1) По характеру влияния длительности переходных процессов СИ: на статические и динамические. • Статические измерения — это измерения ФВ, принимаемой в соответствии с конкретной измерительной задачей за неизменную на протяжении времени измерения. • Динамические измерения (ДИ) — это измерения, изменяющейся по размеру ФВ. Особенно для тех ФВ, которые изменяются в процессе измерения (непрерывное, дискретное, скачкообразное изменения). К динамическим измерениям относят такие измерения, при которых необходим учет динамической погрешности в суммарной погрешности измерения, т. е она должна быть значима. 12

Классификация измерений 2) По способу получения результатов измерения на прямые, косвенные, совместные и совокупные. Прямые измерения — измерения, при которых искомое значение ФВ находят непосредственно из опытных данных. Формула: Q = x, где Q — истинное, х — измеренное значение ФВ (прямое измерение - измерение, при котором искомое значение величины получают непосредственно от средства измерений – определение по ФЗ № 102). Косвенные измерения — это измерения, при которых осуществляется определение искомого значения ФВ на основании результатов прямых измерений других ФВ, функционально связанных с искомой величиной. Формула: Q = F ( х 1 , х 2 , х 3 , …, x m ), где х 1 , х 2 , . . . , величины, измеренные прямыми методами. Совместные измерения — это проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для определения зависимости между ними. Совокупные измерения — это проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин определяют путём решения системы уравнений, получаемых при измерении этих величин в различных сочетаниях. 13

Классификация измерений По влиянию переходных характеристик СИ на результат измерения: динамические и статические По способу получения результата измерения: прямые, косвенные, совместные, совокупные По точности измерений: наивысшей точности, контрольно-поверочные, технические По используемому принципу измерения: взаимодействия с ионизирующим, световым, электромагнитным излучениями; механическое взаимодействие и др. По методу (методике) измерения: метод непосредственной оценки, сравнение с мерой и др. По характеру представления результатов измерения: 14 абсолютные и относительные:

Классификация измерений 3) По точности: на измерения максимально возможной точности, контрольно-поверочные и технические измерения. • Измерения максимально возможной точности - измерения, которые обеспечивают достижимую в настоящее время, при существующем уровне науки и техники и методах обработки результатов измерений, минимальную погрешность измерений. • Контрольно-поверочные измерения - измерения, при которых погрешность измерения не должна превышать заданное значение с некоторой вероятностью. • Технические измерения - измерения характеризуемые тем, что проводятся в определенных условиях по методике выполнения измерений (МВИ), разработанной и исследованной заранее до проведения измерения. 15

Классификация измерений 4) По способу выражения результатов измерения : на абсолютные и относительные. • Абсолютные измерения основаны на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значений физических констант. • Относительные измерения - измерение отношения величины (или ее изменения) к одноименной величине, играющей роль единицы или принимаемой за исходную. 5) По принципам измерения, под которыми понимаются физические явления или эффекты, положенные в основу измерений. 6) По методам (методикам) измерения, которые определяется как прием или совокупность приемов сравнения измеряемой величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерения. 16

Классификация измерений 7) По точности в ряду измерений на: • Равноточные - измерения ФВ, выполненные одинаковыми по точности СИ в одних и тех же условиях с одинаковой тщательностью. • Неравноточные - измерения ФВ, выполненные различающимися по точности СИ и (или) в разных условиях. 8) По количеству измерений для получения результата на: • Многократные - измерения одной и той же ФВ, результат которого получен из нескольких следующих друг за другом измерений. , т. е. состоящее из ряда однократных измерений. Это измерения для получения результата повышенной точности. • Однократное - измерение, выполненное один раз. На практике к однократным относят измерения выполненные от одного до трех раз. Однократные измерения проводятся в соответствии с заранее разработанной МВИ и относятся к техническим измерениям. 17

Показатели качества измерений Точность ( правильность+прецизионность ) - качество измерения отражающая степень близости результатов измерений к истинному значению величины или в его отсутствие принятому опорному значению (ИСО 5725, точность обобщая качественная характеристика измерения). Правильность - качество измерений, отражающее близость к нулю систематических погрешностей в их результатах. Сходимость (повторяемость) - близость друг к другу результатов измерений одной и той же величины, выполненных повторно одними и теми же СИ, одним и тем же методом в одинаковых условиях и с одинаковой тщательностью. Воспроизводимость - близость результатов измерений одной и той же величины, полученных в разных местах, разными методами, разными средствами, разными операторами, в разное время, но приведённые к одним и тем же условиям измерений. Прецизионность (воспроизводимость+повторяемость) - степень близости друг к другу независимых результатов измерений, полученных в конкретных регламентированных условиях. 18

Вехи российской истории метрологии • Елизавета Петровна (1758 г) - документ: «Для провиантского правления регуны (правила)» • Николай I - документ: «Положение о мерах и весах» . Введение эталонов веса (фунт 409, 12 г) и длины (сажень). • Первая книга по метрологии Петрушевского Ф. И. (1848 г): «Общая метрология» , в которой были описаны меры и денежные знаки различных стран. • Создание специального хранилища эталонов веса и длины (1879 г). Назначение (1892) на должность ученого-хранителя Депо эталонов Д. И. Менделеева. Преобразование Депо в Главную палату мер и весов • Введение в действие нового «Положения о мерах и весах» (1900 г). Создание сети Палаток по территории России ( 25 Палаток, план 150). • СССР: 1924 г - 34, 1927 г -72 Палатки, 1925 г- Комитет по стандартизации при Совете Труда и Обороны, 1938 г- Комитет по делам мер и измерительных приборов (далее в Госстандарт). • В период войны и после: Преобразование Главной палаты в ВНИИМ (г. Ленинград) , создание ВНИИФТРИ (моск. обл. ) и др. институтов. 19

Международные метрологические организации МБМВ+МКМВ - подписание Метрической конвенции (1875 г): • создание Международного бюро мер и весов (МБМВ); • учреждение Международного комитета мер и весов ( МКМВ ) осуществляющего руководство работой МБМВ; • созыв не реже 1 раза в шесть лет Генеральной конференции мер и весов. МОЗМ - Международная организация по законодательной метрологии (1956 г): • унификация наиболее прогрессивных методов; • создание банка данных по нормативной документации; • составление типовых (унифицированных) законов и регламентов; • разработка общих подходов к задачам поверки и калибровки СИ; • разработка необходимого и достаточного перечня измерительных характеристик СИ для международного применения и др. ИМЕКО - Международная конференция по измерительной технике и приборостроению (1958 г) 20

Вопросы и задания для самоконтроля 1) Перечислите основные задачи метрологии. 2) Что является предметами изучения практического, законодательного и теоретического разделов метрологии? 3) В чем различие истинного и действительного значения измеряемой ФВ? 4) Что понимается под точностью измерения и существуют ли количественные показатели точности измерения ? 5) Определите понятие неопределенности измерений. Использует ли это понятие традиционные термины классической метрологии? 6) Дайте определение понятию «единство измерений» и объясните, почему обеспечение единства измерений является основной задачей метрологии? 7) Сравните понятие «прослеживаемости измерений» , широко используемого в зарубежной метрологической практике, с понятием «единства измерений» . 8) По каким признакам измерительного процесса строится классификация измерений? 9) Как классифицируется измерение по способу получения результатов измерения? 10) Что такое технические измерения? Часто ли они относятся к разряду одиночных измерений? 11) Что лежит в основе классификации измерений по методам измерения и принципам, используемым в основе измерительного эксперимента? 21

Вопросы и задания для самоконтроля 12) Что такое методика выполнения измерений и, какую роль она играет при проведении технических измерений? 13) Почему влияние методики и метода измерений в ФЗ «Об обеспечении единства измерений» и других современных нормативных документах анализируют совместно, как метод (методика)? 14) Дайте характеристику понятиям качества измерения: правильность, сходимость, воспроизводимость и прецизионность измерений. 15) Изобразите классификацию погрешности измерений. Какие принципы лежат в основе этой классификации? 16) Дайте определение методической и инструментальной погрешности измерений и назовите основные причины их возникновения. 17) Могут ли методическая, инструментальная и субъективная погрешность считывания быть случайными и/или систематическими? 18) Дайте краткую характеристику развития метрологии в России. 19) Какая российская организация в настоящее время является федеральным органом исполнительной власти, осуществляющим функции по выработке государственной политики и нормативно-техническому регулированию в области обеспечения измерений. 20) Назовите основные международные организации в сфере метрологии. Что такое МОЗМ и каковы его функции? 22