Метрология: понятие, относительная погрешность и косвенное измерение

Введение

Метрология, стандартизация, сертификация - основные инструменты обеспечения качества продукции, работ и услуг - важный аспект коммерческой деятельности. Метрология - это изучение измерений, как обеспечить их единство и как добиться требуемой точности. Ключевым моментом метрологии является измерение. Согласно ГОСТ 16263–70 измерение - это экспериментальное определение значения физической величины с помощью специальных технических средств.
В метрологические задачи входят:
1) развитие общей теории измерений;
2) разработка методов измерений, а также методов установления точности и достоверности измерений;
3) обеспечение целостности измерений;
4) определение единиц физических величин.
Методы определения и учета ошибок помогут решить вопрос о том, как на основании полученных результатов наблюдения оценить истинное значение, то есть найти результат измерения, как оценить его точность, т.е. мера его приближения к истинному значению.
Расчетные параметры - математическое ожидание и стандартное отклонение. Оценка параметра, выраженная одним числом, называется точечной оценкой. Любая точечная оценка, рассчитанная на основе экспериментальных данных, является их функцией и, следовательно, сама должна быть случайной величиной с распределением, зависящим от распределения исходной случайной величины, включая сам оцененный параметр и количество экспериментов.
1 Погрешность измерения. В практической жизни человек везде занимается измерениями. На каждом этапе измерения таких величин, как длина, объем, вес, время и т. д.
Измерения - один из важнейших способов познания природы человеком. Они дают количественную характеристику окружающего мира, открывая человеку законы, действующие в природе. Все отрасли техники не могли бы существовать без детальной системы измерения, которая определяет как все технологические процессы, их контроль и управление, так и свойства и качество продукции.
Значение измерений в современном обществе очень велико. Они служат не только основой научно-технических знаний, но имеют первостепенное значение для учета материальных ресурсов и планирования, для внутренней и внешней торговли, для обеспечения качества продукции, взаимозаменяемости узлов и деталей и совершенствования техники, для обеспечения безопасности труда. и другие виды человеческой деятельности.
Роль измерений особенно возросла в эпоху повсеместного внедрения новых технологий, развития электроники, автоматизации, атомной энергии и космических полетов. Высокая точность управления полетом космического корабля достигается благодаря современным передовым измерительным приборам, установленным как на самом космическом корабле, так и в контрольно-измерительных центрах.
Большое разнообразие явлений, с которыми приходится иметь дело, определяет широкий диапазон измеряемых величин. Во всех случаях измерений, независимо от измеряемой величины, метода и средств измерения, существует общее, что составляет основу измерений - это экспериментальное сравнение данного значения с другим аналогичным ему, взятым за единицу. При любом измерении мы используем эксперимент, чтобы оценить физическую величину в виде определенного количества принятых для нее единиц, т.е. находим ее значение.
В настоящее время установлено следующее определение измерения: измерение - это определение значения физической величины экспериментальным путем с использованием специальных технических средств.
В метрологии неопределенность измерения - это выражение статистической дисперсии значений, приписываемых измеряемой величине. Все измерения подвержены неопределенности, и результат измерения считается полным только в том случае, если он сопровождается заявлением о связанной с ним неопределенности, такой как стандартное отклонение. По международному соглашению эта неопределенность имеет вероятностную основу и отражает неполное знание величины величины. Это неотрицательный параметр.
Неопределенность измерения часто принимается как стандартное отклонение распределения вероятности уровня знаний по возможным значениям, которые можно отнести к измеряемой величине. Относительная неопределенность - это неопределенность измерения относительно величины конкретного единственного выбора значения для измеряемой величины, когда этот выбор не равен нулю. Этот конкретный единственный выбор обычно называется измеренным значением, которое может быть оптимальным в некотором четко определенном смысле (например, среднее значение, медиана или режим). Таким образом, относительная неопределенность измерения - это неопределенность измерения, деленная на абсолютное значение измеренного значения, когда измеренное значение не равно нулю.
Цель измерения - предоставить информацию об интересующей величине - измеряемой величине. Например, измеряемой величиной может быть размер цилиндрического элемента, объем сосуда, разность потенциалов между выводами батареи или массовая концентрация свинца в колбе с водой.
Нет точных измерений. Когда величина измеряется, результат зависит от измерительной системы, процедуры измерения, навыков оператора, окружающей среды и других факторов. Даже если величина должна быть измерена несколько раз одним и тем же способом и в одних и тех же обстоятельствах, как правило, каждый раз будет получаться другое измеренное значение, если предположить, что измерительная система имеет достаточную разрешающую способность, чтобы различать значения.
Разброс измеренных значений будет зависеть от того, насколько хорошо выполняется измерение. Их среднее значение обеспечило бы оценку истинного значения величины, которая обычно была бы более надежной, чем отдельное измеренное значение. Дисперсия и количество измеренных значений предоставят информацию, относящуюся к среднему значению в качестве оценки истинного значения. Однако, как правило, этой информации недостаточно.
Измерительная система может предоставлять измеренные значения, которые не разбросаны относительно истинного значения, а имеют некоторое отклонение от него. Возьмем бытовые весы для ванной. Предположим, он настроен не на отображение нуля, когда на шкале никого нет, а на отображение некоторого смещения значения от нуля. Тогда, независимо от того, сколько раз повторно измерялась масса человека, эффект этого смещения по своей сути будет присутствовать в среднем значении.
«Руководство по выражению неопределенности измерения» (широко известное как GUM) является исчерпывающим документом по этому вопросу. GUM был принят всеми основными национальными измерительными институтами (NMI) и международными стандартами аккредитации лабораторий, такими как ISO / IEC 17025 Общие требования к компетентности испытательных и калибровочных лабораторий, что требуется для международной аккредитации лабораторий; и используется в большинстве современных национальных и международных документальных стандартов на методы и технологии измерений.
Неопределенность измерения имеет важные экономические последствия для калибровки и измерений. В отчетах о калибровке величина неопределенности часто принимается как показатель качества лаборатории, а меньшие значения неопределенности обычно имеют более высокую ценность и более высокую стоимость. Американское общество инженеров-механиков (ASME) разработало набор стандартов, касающихся различных аспектов неопределенности измерений. Например, стандарты ASME используются для решения роли неопределенности измерения при приеме или отклонении продукции на основе результата измерения и спецификации продукта, обеспечивают упрощенный подход (по сравнению с GUM) к оценке неопределенности измерения размеров, разрешить разногласия относительно величины заявления о неопределенности измерения или предоставить руководство по рискам, связанным с любым решением о приемке / отклонении продукции.
Грубые ошибки - это ошибки, превышающие ошибки, оправданные условиями эксперимента. Для их устранения желательно определить значение искомой величины приблизительно перед измерениями, чтобы в дальнейшем можно было сосредоточиться только на уточнении предварительных данных.
Стандартизация - это деятельность, направленная на определение и развитие требований, норм и правил, гарантирующих право потребителя покупать товары по приемлемой для него цене, надлежащего качества, а также право на комфорт и безопасность на работе.
Единственная задача стандартизации - защитить интересы потребителей в вопросах качества услуг и продуктов. Взяв за основу Закон РФ «О техническом регулировании», стандартизация преследует такие задачи и цели, как:
1) безвредность работ, услуг и продукции для жизни и здоровья человека, а также окружающей среды;
2) безопасность различных предприятий, организаций и других объектов с учетом возможности возникновения аварийных ситуаций;
3) обеспечение возможности замены товара, а также его технической и информационной совместимости;
4) качество работ, услуг и продуктов с учетом уровня прогресса, достигнутого в области технологий, технологий и науки;
5) уважение ко всем доступным ресурсам;
6) целостность измерения.
Сертификация - это учреждение соответствующими сертифицирующими органами для обеспечения требуемой уверенности в том, что продукт, услуга или процесс соответствуют указанному стандарту или другому нормативному документу. Орган по сертификации может быть лицом или органом, признанным независимым от поставщика или покупателя.
Сертификация ориентирована на достижение следующих целей:
1) помощь потребителям в правильном выборе товаров или услуг;
2) защита потребителей от некачественной продукции производителя;
3) установление безопасности (опасности) продукции, работ или услуг для жизни и здоровья человека, окружающей среды;
4) сертификация качества продукции, услуги или работы, заявленная производителем или исполнителем;
5) организация условий для комфортной деятельности организаций и предпринимателей на едином товарном рынке Российской Федерации, а также для участия в международной торговле и международном научно-техническом сотрудничестве.
2 Косвенное измерение. Вышеупомянутое обсуждение касается прямого измерения величины, которое, кстати, случается редко. Например, весы для ванной могут преобразовать измеренное удлинение пружины в оценку измеряемой величины - массы человека на весах. Конкретное соотношение между удлинением и массой определяется калибровкой весов. Модель измерения преобразует значение величины в соответствующее значение измеряемой величины.
Измерения проводятся с использованием технических средств, называемых измерительными приборами. К измерительным приборам относятся манометры, измерительные инструменты и измерительные преобразователи. Мера - это измерительный инструмент, предназначенный для воспроизведения физической величины заданного размера. Примеры мер: миллиметровая линейка, набор гирь для взвешивания, ящик сопротивления. Измерительное устройство - это измерительный инструмент, предназначенный для генерации сигнала в форме, которая может быть воспринята наблюдателем. Это, например, вольтметр, амперметр, градусник, манометр. Измерительный преобразователь - это измерительный прибор, формирующий сигнал в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования и (или) хранения, но не предназначенной для восприятия наблюдателем. Примеры преобразователей: термопара, термометр сопротивления, делитель напряжения.
При обработке результатов косвенных измерений предлагается следующий порядок операций:
Все величины, находимые прямыми измерениями, обработайте в соответствии с правилами обработки результатов прямых измерений. При этом для всех измеряемых величин задайте одно и то же значение надежности P.
Оцените точность результата косвенных измерений по формулам (15) – (16), где производные вычислите при средних значениях величин.Если ошибка отдельных измерений входит в результат дифференцирования несколько раз, то надо сгруппировать все члены, содержащие одинаковый дифференциал, и выражения в скобках, стоящие перед дифференциалом взять по модулю; знак d заменить на Δ (или δ).
Если случайная и систематическая ошибки по величине близки друг к другу, то сложите их по правилу сложения ошибок. Если одна из ошибок меньше другой в три или более раз, то меньшую отбросьте.
Результат измерения запишите в виде:
N = ƒ (¯x, ¯y, ¯z, ...) ± Δƒ.
Определите относительную погрешность результата серии косвенных измерений.
На практике существует множество видов измерений и, следовательно, множество моделей. Простая модель измерения (например, весы, масса которых пропорциональна длине пружины) может быть достаточной для повседневного домашнего использования. В качестве альтернативы, более сложная модель взвешивания, включающая дополнительные эффекты, такие как плавучесть воздуха, способна обеспечить лучшие результаты для промышленных или научных целей. В общем, часто существует несколько различных величин, например температура, влажность и смещение, которые способствуют определению измеряемой величины и которые необходимо измерить.
Условия коррекции должны быть включены в модель измерения, если условия измерения не совсем такие, как оговорено. Эти термины соответствуют систематическим ошибкам. Учитывая оценку поправочного члена, соответствующая величина должна быть скорректирована с помощью этой оценки. С оценкой будет связана неопределенность, даже если оценка равна нулю, как это часто бывает. Случаи систематических ошибок возникают при измерении высоты, когда измерительный инструмент не совсем вертикальный, а температура окружающей среды отличается от предписанной. Ни юстировка прибора, ни температура окружающей среды не указаны точно, но информация, касающаяся этих эффектов, доступна, например, отсутствие юстировки составляет не более 0,001 °, а температура окружающей среды во время измерения отличается от указанной не более чем на 2 градуса. ° C.
Помимо необработанных данных, представляющих измеренные значения, существует еще одна форма данных, которая часто требуется в модели измерения. Некоторые такие данные относятся к величинам, представляющим физические константы, каждая из которых известна не полностью. Примерами являются константы материала, такие как модуль упругости и удельная теплоемкость. Часто в справочниках, сертификатах калибровки и т. д. приводятся другие соответствующие данные, которые рассматриваются как оценки дополнительных количеств.
Элементы, необходимые модели измерения для определения измеряемой величины, известны как входные величины в модели измерения. Модель часто называют функциональной взаимосвязью. Выходная величина в модели измерения - это измеряемая величина.
Относительная погрешность измерения εА равна:
При косвенных измерениях величину погрешности искомой величины вычисляют по формулам:
В случае, когда искомая величина находится по формуле, в которой в основном присутствуют произведение и частное, удобней находить сначала относительную погрешность. Если при этом один из множителей представляет собой сумму или разность, нужно предварительно найти его абсолютную погрешность (сложением абсолютных погрешностей слагаемых), а затем относительную.
Заключение: Очень важно рассчитать погрешность при измерении, чтобы получить более точный результат. Также важно знать причины ошибок. Причины возникновения ошибок: несовершенство методов измерения, технических средств, используемых при измерениях, и органов чувств наблюдателя.
Причины, связанные с влиянием условий измерения, следует объединить в отдельную группу. Последние проявляются двояко. С одной стороны, все физические величины, которые играют определенную роль в измерениях, в той или иной степени зависят друг от друга. Поэтому при изменении внешних условий истинные значения измеряемых величин меняются.
С другой стороны, условия измерения также влияют на характеристики измерительных приборов и физиологические свойства органов чувств наблюдателя и через них становятся источником ошибок измерения.
Список использованной литературы: 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.
Басаков, М.И. Основы стандартизации, метрологии, сертификации: 100 экзаменационных ответов / М.И. Басаков. - Рн/Д: Феникс, ИКЦ МарТ, 2010. - 224.
Берновский, Ю.Н. Стандартизация: Учебное пособие / Ю.Н. Берновский. - М.: Форум, 2012. - 368 c.
Боларев, Б.П. Стандартизация, метрология, подтверждение соответствия: Учебное пособие / Б.П. Боларев. - М.: НИЦ ИНФРА-М, 2013. - 254 c.
Вдовин, С.М. Система менеджмента качества организации : [учеб. пособие] / С.М. Вдовин, Т.А. Салимова, Л.И. Бирюкова. - М. : ИНФРА-М, 2012 - 297 с.
Димов, Ю.В. Метрология, стандартизация и сертификация: Учебник для вузов. Стандарт третьего поколения / Ю.В. Димов. - СПб.: Питер, 2013. - 496 c.