Основы сертификации в химической промышленности

Размещено на http://allbest.ru

МИНИСТЕРСТВА ВЫСШЕГО СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ТАШКЕНТСКИЙ ИНСТИТУТ ТЕКСТИЛЬНОЙ И ЛЕГКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

КАФЕДРА «Химическая технология»

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

Основы сертификации в химической промышленности

по дисциплине: Метрология и стандартизация

для бакалавров, обучающиеся по направлению

«Химическая технология (текстильная, легкая и бумажная промышленность)»

ТАШКЕНТ - 2013

АННОТАЦИЯ

Конспект лекций по дисциплине «Метрология и стандартизация» подготовлен для студентов направлений бакалавриатуры «Химическая технология (текстильная, легкая и бумажная промышленность)»

Конспект лекций охватывает широкий круг вопросов, включая, основы теории измерений, обеспечение единства измерений, основы теории вероятностей и математической статистики, погрешности измерений, обработку результатов измерений, оценку неопределенности результатов измерений, общие сведения о средствах измерений и их математические модели, измерительной информации, метрологические характеристики средств измерений, стандартизации и сертификации. Учтены последние решения международных организаций в области метрологии и стандартизации.

В конспекте отражены вопросы стандартизации, сертификации и метрологии применительно к данным направлениям.

Конспект лекций подготовлен доцентом кафедры «Химической технологии», кандидатом технических наук М.Ш. Хасановой.

Рецензенты:

Жерницын Ю.Л. Заведующий научной лабораторией

«Сentexuz», к.т.н., доцент

Акмалова Г.Ю. Доцент Ташкентского химико-технологического института, кандидат технических наук

Конспект лекций рассмотрен и утвержден научно-методическим Советом Ташкентского института текстильной и легкой промышленности.

ЛЕКЦИЯ 1. ВВедение. Основы метрологии

Из истории метрологии и стандартизации в Узбекистане

Формирование основ законодательства в области метрологии суверенного Узбекистана и создание национальной системы обеспечения единства измерений следует отнести к 1992 году. Одними из первых государственных актов в этом направлении являются Постановление Кабинета Министров Республики Узбекистан № 93 (02.03.1992) «Об организации работы по стандартизации в Республике Узбекистан» и межправительственное соглашение «О проведении согласованной политики в области стандартизации, метрологии и сертификации», подписанное 13.03.1992 (Москва) главами правительств государств-участников Содружества Независимых Государств.

Указанные акты определили основные направления метрологической деятельности, как в Узбекистане, так и во всем Евроазиатском регионе - Содружестве Независимых Государств (СНГ).

Национальным органом Республики Узбекистан по метрологии, осуществляющем руководство и координацию работ по обеспечению единства измерений в стране, установлено Узбекское агентство стандартизации, метрологии и сертификации - Агентство Узстандарт (до 2002 г. - Узгосстандарт).

Научным и методическим центром работ в области метрологии определен Научно-исследовательский институт стандартизации, метрологии и сертификации - НИИСМС Агентства Узстандарт (до 2002 г. - УзИИПК). В 1992 году приказом Узгосстандарта на НИИСМС возложено выполнение функций Главного центра метрологической службы и Главного центра стандартных образцов Республики Узбекистан.

28 декабря 1993 года высший орган законодательной власти Узбекистана - Олий Маджлис, принимает Закон Республики Узбекистан «О метрологии», определяющий стратегию государства в области обеспечения единства измерений и являющийся основополагающим законодательным актом в этой области.

Следующими важными этапами развития государственной политики в области метрологии являются, подписанные Президентом Узбекистана И. А. Каримовым, Постановления Кабинета Министров № 410 (1994 г.) «О государственном надзоре за стандартами и средствами измерений в Республике Узбекистан» и № 53 (1996 г.) «О формировании Национальной эталонной базы Республики Узбекистан и совершенствовании метрологического обеспечения».

Постановление № 410, наряду с Законом Узбекистана «О метрологии», развивает основные положения государственного метрологического контроля и надзора как основного механизма обеспечения в стране единства измерений, а Постановление № 53 устанавливает основные положения формирования национальной эталонной базы, являющейся техническим фундаментом единства измерений.

В 1996 году в составе Узгосстандарта создается Центр национальных эталонов Республики Узбекистан.

Дальнейшими этапами совершенствования законодательства в области метрологии являются принятые Олий Мажлисом изменения и дополнения к Закону «О метрологии» (2000 г., 2003 г.) и Постановление Кабинета Министров Республики Узбекистан № 342 (2002 г.) «О мерах по совершенствованию системы стандартизации, метрологии и сертификации продукции и услуг».

В развитие указанных законодательных актов с 1992 года в Узбекистане создается национальная нормативная базы работ по обеспечению единства измерений - Государственная система обеспечения единства измерений Республики Узбекистан (ГСИ Уз), включающая в себя в настоящее время порядка 500 национальных и более 2500 региональных нормативных документов в области метрологии.

Закон Узбекистана «О метрологии» и документы ГСИ Уз направлены на ускорение экономического развития Узбекистана, дальнейшее развитие в стране рыночных отношений и интеграцию республики в мировое экономическое сообщество.

Стандартизация, метрология и сертификация являются инструментами обеспечения качества продукции, работ и услуг - важного аспекта многогранной коммерческой деятельности.

Проблема качества актуальна для всех стран независимо от зрелости их рыночной экономики. Чтобы стать участником мирового хозяйства и международных экономических отношений необходимо совершенствование национальной экономики с учетом мировых достижений и тенденций.

Отставание национальных систем стандартизации и сертификации во многом предопределило те трудности, которые испытывают отечественные предприятия, производящие верхнюю одежду, в условиях современной конкуренции не только на внешних рынках, но и на внутреннем.

Переход Узбекистана к рыночной экономике определяет новые условия для деятельности отечественных фирм и предприятий легкой промышленности. Право предприятий на самостоятельность не означает вседозволенность в решениях, а заставляет изучать, знать и применять в своей практике принятые во всем мире «правила игры». Международное сотрудничество по любым направлениям и на любом уровне требует гармонизации этих правил с международными и национальными нормами.

Стандартизация, сертификация и метрология в том виде как это было в плановой экономике, не только не вписывались в новые условия работы, но и тормозили либо просто делали невозможной интеграцию Узбекистана в цивилизованное экономическое пространство. Особенно ярким примером служит тому условие вступления нашего государства в ГАТТ/ВТО.

Закон РУз. «О защите прав потребителей», «О стандартизации», «О сертификации продукции и услуг», «Об обеспечении единства средств измерений» создали необходимую правовую базу для внесения существенных новшеств в организацию этих важнейших для экономики областей деятельности.

Сегодня изготовитель и его торговый посредник, стремящиеся поднять репутацию торговой марки, победить в конкурентной борьбе, выйти на мировой рынок, заинтересованы в выполнении как обязательных, так и рекомендуемых требований стандарта. В этом смысле стандарт приобретает статус рыночного стимула. Таким образом, стандартизация является инструментом обеспечения не только конкурентоспособности, но и эффективного партнерства изготовителя, заказчика и продавца на всех уровнях управления.

Стандартизация основывается на последних достижениях науки, техники и практического опыта и определяет прогрессивные, а также экономически оптимальные решения многих народнохозяйственных, отраслевых и внутрипроизводственных задач. Органически объединяя функциональные и прикладные науки, она способствует усилению их целенаправленности и быстрейшему внедрению научных достижений в практическую деятельность.

Стандартизация создает организационно-техническую основу изготовления высококачественной продукции, специализации и кооперирования производства, придает ему свойства самоорганизации.

Стандарт - это образец, эталон, модель принимаемые за исходные для сопоставления с ними других подобных объектов. Как нормативно-технический документ стандарт устанавливает комплекс норм, правил, требований к объекту стандартизации и утверждается компетентным органам.

Стандарт разрабатывается на материальные предметы (продукцию, эталоны, образцы веществ), нормы, правила и требования различного характера.

Итак, переход страны к рыночной экономике с присущей ей конкуренцией, борьбой за доверие потребителей заставляет специалистов коммерции шире использовать методы и правила стандартизации, метрологии и сертификации в своей практической деятельности для обеспечения высокого качества товаров, работ и услуг.

Основные понятия и определения метрологии

Метрология (от греч. -- мера, измерительный инструмент) -- наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности (РМГ 29-99).

Предметом метрологии является извлечение количественной информации о свойствах объектов с заданной точностью и достоверностью. Средством метрологии является совокупность измерений и метрологических стандартов, обеспечивающих требуемую точность.

Метрология состоит из 3 разделов:

· Теоретическая

· Прикладная

· Законодательная

Физическая величина - одно из свойств физического объекта, общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них.

Единица физической величины - физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное 1, и применяемая для количественного выражения однородных с ней физических величин.

Технические измерения определяют класс измерений, выполняемых в производственных и эксплуатационных условиях, когда точность измерения определяется непосредственно средствами измерения.

Измерение - совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения измеряемой величины с ее единицей и получения значения этой величины.

Единство измерений - состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности известны с заданной вероятностью. Единство измерений необходимо для того, чтобы можно было сопоставить результаты измерений, выполненных в разное время, с использованием различны методов и средств измерений, а также в различных по территориальному расположению местах.

Единство измерений обеспечивается их свойствами: сходимостью результатов измерений; воспроизводимостью результатов измерений; правильностью результатов измерений.

Сходимость - это близость результатов измерений, полученных одним и тем же методом, идентичными средствами измерений, и близость к нулю случайной погрешности измерений.

Воспроизводимость результатов измерений характеризуется близостью результатов измерений, полученных различными средствами измерений (естественно одной и той же точности) различными методами.

Правильность результатов измерений определяется правильностью, как самих методик измерений, так и правильностью их использования в процессе измерений, а также близостью к нулю систематической погрешности измерений.

Процесс решения любой задачи измерения включает в себя, как правило, три этапа: подготовку, проведение измерения (эксперимента) и обработку результатов. В процессе проведения самого измерения объект измерения и средство измерения приводятся во взаимодействие.

Средство измерения - техническое устройство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические характеристики.

Результат измерения - значение физической величины, найденное путем ее измерения. В процессе измерения на средство измерения, оператора и объект измерения воздействуют различные внешние факторы, именуемые влияющими физическими величинами.

Эти физические величины не измеряются средствами измерения, но оказывают влияние на результаты измерения. Несовершенство изготовления средств измерений, неточность их градуировки, внешние факторы (температура окружающей среды, влажность воздуха, вибрации и др.), субъективные ошибки оператора и многие другие факторы, относящиеся к влияющим физическим величинам, являются неизбежными причинами появления погрешности измерения.

Точность измерений характеризует качество измерений, отражающее близость их результатов к истинному значению измеряемой величины, т.е. близость к нулю погрешности измерений.

Погрешность измерения - отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины.

Под истинным значением физической величины понимается значение, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующие свойства измеряемого объекта.

Основные постулаты метрологии: истинное значение определенной величины существует и оно постоянно; истинное значение измеряемой величины отыскать невозможно. Отсюда следует, что результат измерения математически связан с измеряемой величиной вероятностной зависимостью.

Поскольку истинное значение есть идеальное значение, то в качестве наиболее близкого к нему используют действительное значение. Действительное значение физической величины - это значение физической величины, найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному значению, что может быть использовано вместо него. На практике в качестве действительного значения принимается среднее арифметическое значение измеряемой величины.

Рассмотрев понятие об измерениях, следует различать и родственные термины: контроль, испытание и диагностирование.

Контроль - частный случай измерения, проводимый с целью установления соответствия измеряемой величины заданным пределам.

Испытание - воспроизведение в заданной последовательности определенных воздействий, измерение параметров испытуемого объекта и их регистрация.

Диагностирование - процесс распознавания состояния элементов объекта в данный момент времени. По результатам измерений, выполняемых для параметров, изменяющихся в процессе эксплуатации, можно прогнозировать состояние объекта для дальнейшей эксплуатации.

Метод измерений - прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерения.

Контрольные вопросы

1. Каким приказом Узгосстандарта на НИИСМС возложено выполнение Главного центра стандартных образцов Республики Узбекистан?

2. В каком году в составе Узгосстандарта создается Центр национальных эталонов Республики Узбекистан?

ЛЕКЦИЯ 2. Средства измерений. Элементы и параметры средств измерений

Классификация измерений

По способу получения измерения:

· Прямые - когда физическая величина непосредственно связывается с ее мерой;

· Косвенные - когда искомое значение измеряемой величины установлено по результатам прямых измерений величин, которые связаны с искомой величиной известной зависимостью;

· Совокупные - когда используются системы уравнений, составляемых по результатам измерения нескольких однородных величин.

· Совместные - производятся с целью установления зависимости между величинами. При этих измерениях определяется сразу несколько показателей.

По характеру изменения измеряемой величины:

· Статические - связаны с определением характеристик случайных процессов необходимое количество измерений определяется статическими способами.

· Динамические - связаны с такими величинами, которые в процессе измерений меняются (t окружающей среды).

Измерения могут меняться по количеству информации:

· Однократные;

· Многократные (> 3);

По отношению к основным единицам измерения:

· Абсолютные - (используют прямое измерение одной основной величины и физической константы).

· Относительные - базируются на установлении отношения измеряемой величины, применяемой в качестве единицы. Такая измеряемая величина зависит от используемой единицы измерения

По условиям, определяющим точность результата, измерения делят на три класса:

· измерения максимально возможной точности, достижимой при существующем уровне техники;

· контрольно-поверочные измерения, выполняемые с заданной точностью;

· технические измерения, погрешность которых определяется метрологическими характеристиками средств измерений.

Измеряемые величины

В повседневной деятельности постоянно возникает необходимость получать количественную оценку явлений, свойств, параметров объектов, то есть проводить измерения неких величин.

В широком смысле слово «величина» - понятие многовидовое. К примеру, величина - это цена, стоимость товаров, выражаемая в денежных единицах. С другой стороны разновидностью величин можно назвать биологическую активность лекарственных веществ, выражаемую в Международных единицах биологической активности.

Третий пример - физические величины - свойства, присущие физическим объектам (физическим системам, их состояниям и происходящим в них процессам). В частности, общепринятой характеристикой пространственной протяженности тел является длина, а мерой другого свойства тел, инертности - масса. Такие величины, в основном, и являются объектом рассмотрения современной метрологии.

Обычно величины, которым можно дать количественную оценку, т. е. можно измерить называются измеримыми величинами.

Величина, подлежащая измерению, называется измеряемой величиной. Под этим термином понимают величину, подлежащую измерению, измеряемую или измеренную в соответствии с основной целью измерительной задачи. В метрологии этому термину дается следующее определение: величина (измеримая) - это свойство явления, объекта, процесса, которое можно выделить качественно и определить количественно.

Качественной характеристикой величины является размерность величины - выражение в форме степенного одночлена с коэффициентом пропорциональности равным единице, составленного из произведений символов основных величин в различных степенях и отражающего связь данной величины с основными величинами системы величин.

Количественной характеристикой величины, присущей конкретному материальному объекту, системе, явлению или процессу является размер величины.

Размер величины Q выражают в виде значения величины - некоторого числа принятых для этой величины единиц. Значение величины состоит из отвлеченного числа n, называемого числовым значением, и единицы величины U или [Q].

Таким образом, основное уравнение измерений можно записать в виде:

Q = n•U или Q = n•[Q].

Для характеристики правильности полученного путем измерения значения величины в метрологии используют понятие истинное значение - значение величины, которое абсолютно точно характеризовало бы в качественном и количественном отношении соответствующее свойство объекта.

Однако истинное значение величины относится к категории абсолютной истины и не может быть получено практически, так как любое измерение сопровождается погрешностью. Поэтому на практике его заменяют действительным значением.

Действительное значение величины - полученное экспериментальным путем значение величины, настолько близкое к истинному значению, что для цели данного измерения может быть использовано вместо него.

Понятие «действительное значение величины» является ключевым понятием практической метрологии и связывает степень близости реально полученного при измерении значения величины к ее истинному значению - погрешность измерения, и цель самого измерения. Вместе с тем появление концепции оценки неопределенности результатов измерений и соответствующих международных стандартов принесло новый взгляд на понятие «действительное значение величины», о чем более подробно говорится в главе 6.

Действительно, каждое практическое измерение подчинено определенной цели и ошибка в измерении - погрешность, всегда приводит к определенным потерям.

Так, например, большая погрешность измерения приводит к прямым потерям (и материальным и моральным), обусловленным недостоверностью полученной информации. Однако и малая погрешность измерения также приводит к потерям, обусловленным нерационально высокой стоимостью самого измерения.

Величину, разные значения которой могут быть суммированы, умножены на числовой коэффициент, разделены друг на друга, называют аддитивной величиной (длина, масса, сила, давление и др.), а величина, для которой перечисленные действия не имеют смысла, называется неаддитивной величиной (термодинамическая температура).

Шкалы измерений

Некоторые свойства физических величин проявляются только качественно, другие - количественно. Разнообразные количественные или качественные проявления любого свойства образуют множества, отображения элементов которых на упорядоченное множество чисел или в более общем случае условных знаков образуют шкалы измерения этих свойств. Шкала измерений количественного свойства является шкалой величин.

Шкала физической величины - это упорядоченная последовательность значений величины, принятая по соглашению на основании результатов точных измерений. Термины и определения теории шкал измерений изложены в документе МИ 2365-96.

В теории измерений в соответствии с логической структурой проявления свойств различают пять основных типов шкал измерений: шкала наименований, шкала порядка, шкала разностей (интервалов), шкала отношений и абсолютная шкала.

1. Шкала наименований (шкала классификации) характеризуется только отношением эквивалентности различных качественных проявлений свойства. Для шкал наименований :

- применимы отношения (суждения) эквивалентности;

- не применимы отношения (суждения) порядка, типа «больше - меньше»;

- не применимы отношения (суждения) пропорциональности;

- не применимы отношение (суждение) суммирования;

- не существует критерия нуля;

- не существует единицы измерений.

В таких шкалах отсутствуют понятия нуля и единицы измерения и не имеют смысла отношения (суждения) типа «больше - меньше».

В шкалах наименований, которыми описывают качественные свойства, применяются меры (атласы цветов и другие меры цвета) и стандартные образцы (цветности водных растворов - хромо-кобальтовая шкала);

2. Шкала порядка (шкала рангов) описывает свойства, для которых имеют смысл не только отношения эквивалентности, но и отношения порядка по возрастанию или убыванию количественного проявления свойства. Для шкал порядка:

- применимы отношения (суждения) эквивалентности;

- применимы отношения (суждения) порядка, типа «больше - меньше»;

- не применимы отношения (суждения) пропорциональности;

- не применимы отношение (суждение) суммирования;

- существует или отсутствует понятие нуля;

- не существует единицы измерения.

В таких шкалах существует или не существует нуль, но принципиально не возможно ввести единицы измерений, так как для таких шкал не установлено отношение пропорциональности, т. е. нет возможности судить во сколько раз больше или меньше конкретные проявления свойств.

Примеры: шкала твердости минералов Мооса и шкалы твёрдости тел (Бринелля, Виккерса, Роквелла, Шора и др.); шкалы светочувствительности, октавные; кислотное, йодное, гидроксильное, эфирное числа; баллы силы ветра (по шкале Бофорта) и силы землетрясения (по шкале Рихтера); баллы аварий на атомных электростанциях (по шкале МАГАТЭ) и баллы устойчивости к повреждению молью (по ГОСТ 9.055-75).

3. Шкала разностей (шкала интервалов) отличается от шкалы порядка тем, что для описываемых ими свойств имеют смысл не только отношения эквивалентности, но и суммирования и пропорциональности интервалов (разностей) между различными количественными проявлениями свойства. Для шкал разностей (интервалов):

- применимы отношения (суждения) эквивалентности;

- применимы отношения (суждения) порядка, типа «больше - меньше»;

- применимы отношения (суждения) пропорциональности;

- применимы отношения (суждения) суммирования;

- существует понятия нуля (условные нули - реперы), установленные по соглашению;

- существует единицы измерений, установленные по соглашению.

В шкале интервалов размеры измеряемых величин располагаются со строго определёнными интервалами. Шкалы разностей содержат условные нули - реперы и единицы измерений, установленные по соглашению.

Пример: Международная температурная шкала, состоящая из ряда реперных (опорных) точек, значения которых приняты по соглашению между странами Метрической Конвенции и установлены на основании точных измерений, и предназначена служить исходной основой для измерений температуры. По шкале интервалов времени интервалы можно суммировать (вычитать) и сравнивать во сколько раз один интервал больше (меньше) другого, но складывать, например, даты каких-либо событий бессмысленно.

К шкалам разностей (интервалов) относятся также меры длины (линейки, рулетки, концевые меры, калибры, щупы и т. д.); реперные точки температур по шкалам Цельсия, Фаренгейта, Реомюра и др.

4. Шкала отношений описывает свойства, к множеству количественных проявлений которых применимы логические отношения эквивалентности, порядка и пропорциональности, а для некоторых шкал отношений ещё и отношение суммирования. Для шкал отношений:

- применимы отношения (суждения) эквивалентности;

- применимы отношения (суждения) порядка, типа «больше - меньше»;

- применимы отношения (суждения) пропорциональности;

- применимы отношения (суждения) суммирования;

- существует однозначный, естественный критерий нуля;

- существует единицы измерений, установленные по соглашению.

В шкалах отношений существует также однозначный, естественный критерий нулевого количественного проявления свойства и единицы измерений, установленные по соглашению.

Примерами шкал отношений являются меры массы и реперные точки температурной шкалы М.Т.Ш--90, меры активности радионуклидов, энергетические меры и др.

5. Абсолютная шкала обладает всеми признаками шкал отношений, но дополнительно в них присутствует естественное однозначное определение единицы измерения. Для абсолютных шкал:

- применимы отношения (суждения) эквивалентности;

- применимы отношения (суждения) порядка, типа «больше - меньше»;

- применимы отношения (суждения) пропорциональности;

- применимы отношения (суждения) суммирования;

- существует однозначный, естественный критерий нуля;

- существует однозначное, естественное понятие единицы измерения.

Такие шкалы соответствуют относительным величинам: коэффициенту усиления, ослаблению, добротности колебательной системы. Среди абсолютных шкал выделяются ограниченные по диапазону абсолютные шкалы, значения которых находятся в пределах от 0 до 1. Соответствующими величинами являются коэффициенты: полезного действия, отражения, пропускания, амплитудной модуляции и т.п.

Под условными шкалами понимают, например, Международную сахарную шкалу, шкалы твердости, светочувствительности фотоматериалов.

Учитывая особенности шкал, можно сделать вывод, что с теоретической точки зрения возможны различные ситуационные соотношения между основными типами шкал измерений, единицами измерений и эталонами.

Шкалы измерений могут быть установлены и применены без единиц измерений, так как в шкалах порядка и наименований принципиально невозможно ввести единицы измерений в обычно понимаемом смысле. Поэтому в шкалах порядка и наименований эталоны могут воспроизводить и передавать шкалу и (или) размер единицы измерений.

Кроме этого эталоны, воспроизводящие шкалы порядка и наименований вынужденно должны воспроизводить практически всю шкалу, а в остальных шкалах эталоны могу воспроизводить любую часть шкалы: от всего диапазона измерений до одной точки шкалы, соответствующей воспроизведению размера единицы измерений.

Интересен ещё один аспект: шкалы отношений и интервалов могут быть реализованы только через эталоны - специальные технические средства,

а шкалы порядка, наименований и абсолютные шкалы, а также единицы абсолютных шкал - без эталонов. Следовательно, шкала может быть без эталона, но эталон не может быть без шкалы; могут быть шкалы без единиц измерений, но единиц без шкал измерений не бывает. Всё это свидетельствует о том, что понятие «шкалы измерений» является более общим и фундаментальным в метрологии по сравнению с понятием «единицы измерений».

Существуют виды измерений и эталоны, воспроизводящие непосредственно шкалы, и в которых отсутствует само понятие единицы измерения. К таким видам относятся, например, широко распространённые (регламентированные на международном уровне) измерения по шкалам чисел твёрдости тел, чисел светочувствительности фотоматериалов.

Широко распространены цветовые измерения в шкалах наименований с применением атласов цветов, в которых образцы цвета обозначены названиями или условными номерами. Более совершенные способы измерений цвета по трех координатным системам МКО также не содержат единиц измерений.

Существуют также международные шкалы без специальных эталонных устройств, например, шкала практической солености морской воды ШПС-78, международная шкала силы землетрясений, бальная шкала силы ветра по Бофорту.

Перевод значения величин с одной шкалы в другую осуществляется по формуле:

y = ,

где: x и y - точки на первой и на второй шкалах;

x₁, x₂, y₁, y₂ - первая и вторая реперные (опорные) точки этих шкал.

Метрологическая надежность средств измерений

В процессе эксплуатации любого средства измерений может возникнуть неисправность или поломка, называемые отказом. Внезапные отказы, вследствие их случайности, невозможно прогнозировать. Для средств измерений, состоящих из серийно выпускаемых в значительном объеме элементов (микросхем, резисторов, конденсаторов и пр.), можно подсчитать интенсивность отказов л по таблицам средних статистических значений отказов отдельных элементов.

При отсутствии указанных данных интенсивность отказов (л) средств измерений - количество отказов определенного типа средств измерений в единицу времени, определяют экспериментально по результатам испытаний средств измерений на надежность. Для этого определенному количеству N однотипных средств измерений задают обычные режимы их работы и фиксируют число отказов l за определенный промежуток времени Дt. Интенсивность отказов средств измерений вычисляют по формуле

.

Вероятность безотказной работы средства измерений - по формуле

,

а среднее время безотказной работы, называемое наработкой на отказ,

.

Интенсивность отказов л, вероятность безотказной работы P(t) и наработка на отказ T_ср называются показателями надежности средств измерений. Так как случайный отказ может произойти в любой момент независимо от того, сколько времени проработало данное средство измерений, интенсивность внезапных отказов не зависит от времени:

.

Поэтому при рассмотрении случайных отказов средств измерений вероятность их безотказной работы и наработку на отказ определяют, обычно, более простыми формулами:

,

.

По характеру своего проявления внезапные отказы являются явными. Они сравнительно легко обнаруживаются и, после выявления их причин, устраняются. Гораздо сложнее поддаются диагностированию так называемые постепенные отказы. Эти отказы заключаются в том, что с течением времени параметры средства измерений изменяются на столько, что его метрологические характеристики перестают соответствовать установленным для них нормам и средство измерений, вследствие этого, становится непригодным к применению по назначению. Такие отказы называются скрытыми и могут быть обнаружены только при очередной поверке или калибровке средства измерений. Поэтому интервалы между периодическими поверками (межповерочные интервалы) или калибровками устанавливают исходя из требований метрологической надежности средств измерений.

Метрологическая надежность - это свойство средств измерений сохранять установленные значения метрологических характеристик в течение определенного времени в рабочих условиях эксплуатации.

Метрологическим отказом называют выход метрологической характеристики средства измерений за пределы установленных норм.

Метрологические отказы являются следствием старения и износа элементов и узлов средства измерений. Поэтому интенсивность метрологических отказов возрастает с течением времени.

Межповерочный интервал средств измерений определяют по формуле:

.

где: P_м(t) - вероятность безотказного метрологического функционирования;

P_м.отк - вероятность метрологического отказа за время между поверками, выбираемая с учетом следующих положений, представленных в таблице 1.

Таблица 1. Значения допускаемой вероятности метрологического отказа средств измерений

Для средств измерений, используемых	Значение допускаемой вероятности метрологического отказа
при технических измерениях	0,2 - 0,1
при передаче размеров единиц	0,15 - 0,05
при особо важных, ответственных измерениях	0,05 - 0,01

Стабильность во времени метрологических характеристик в значительной степени зависит от условий и интенсивности эксплуатации конкретных экземпляров средств измерений, Поэтому в процессе эксплуатации средств измерений может проводиться корректировка их межповерочного интервала.

Контрольные вопросы

1. На какие группы делятся измерения?

2. Что такое величина измерений?

ЛЕКЦИЯ 3. ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ

Классификация погрешностей измерений

Погрешность измерения является важнейшей характеристикой средств и результатов измерений и представляет собой количественную оценку степени приближения результата измерения к истинному значению величины. измерение шкала погрешность метрология

При определении понятия погрешности необходимо четко разграничивать три понятия:

1) истинного;

2) действительного значений измеряемой физической величины и

3) результата измерения.

Истинное значение физической величины - это значение, абсолютно точно отражающее количественное или качественное свойство данного объекта. Оно не зависит от средств нашего познания и относится к категории абсолютной истины, которая в условиях относительного физического мира не может быть познана. Поскольку истинное значение величины является недостижимым, на практике при оценке погрешности вместо него используют действительное значение величины.

Действительное значение физической величины - это максимально приближенное к истинному в условиях данного конкретного измерения экспериментально найденное значение, которое для данной цели может быть использовано вместо него.

Результат измерения представляет собой приближенную оценку истинного значения величины, найденную путем измерения.

Говоря о погрешности измерений, следует также различать понятия «погрешность результата измерения» и «погрешность средства измерения». Эти два понятия во многом близки друг к другу и классифицируются по одинаковым признакам.

Погрешность результата измерения - это разность Дx между результатом измерения Х и истинным Х_и (или действительным X_д) значением измеряемой величины:

Дx = Х - X_и. (1)

Она указывает границы неопределенности значения измеряемой величины.

Погрешность средства измерения - это разность между показанием СИ и истинным (действительным) значением измеряемой физической величины. Она характеризует точность результатов измерений, осуществляемых данным средством.

Погрешности измерений классифицируются:

1) по способу их числового выражения;

2) по характеру проявления при измерениях;

3) в зависимости от причины их возникновения;

4) в зависимости от изменения измеряемой величины в процессе измерения;

5) по зависимости абсолютной погрешности от значений измеряемой величины;

6) по влиянию внешних условий и другим признакам.

1. По способу числового выражения погрешности измерений принято делить на абсолютные и относительные.

Абсолютная погрешность Дx описывается формулой (1) и выражается в единицах измеряемой величины. Однако, поскольку истинное значение измеряемой величины Х_и является недостижимым, то на практике для нахождения абсолютной погрешности пользуются действительным значением измеряемой величины X_д

Дx = Х - X_д. (2)

Абсолютная погрешность не может в полной мере служить показателем точности измерений, так как одно и то же ее значение, например, Дx = 0,05 мм при Х = 100 мм соответствует сравнительно высокой точности измерений, а при Х = 1 мм - низкой, что не всегда удобно для наглядной оценки измерительного процесса. Поэтому на практике часто выражают погрешность в относительных единицах.

Относительная погрешность дx определяется как отношение абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой величины:

дx = Дx/X_д. (3)

Относительная погрешность может выражаться просто в относительных единицах (неименованным числом), в процентах (%), в промилле (‰), в частях на миллион (ppm), в частях на миллиард (ppb). Выбор той или иной формы выражения относительной погрешности зависит от значения погрешности и традиций, принятых в конкретной области измерений или конкретной стране. Например, можно записать: дx = 5•10^-7, или 0,00005 %, или 0,005 ‰, или 0,5 ppm, или 500 ppb.

Чаще всего относительную погрешность выражают в процентах, тогда:

дx = •100%.

2. По характеру проявления погрешности измерений делятся на систематические, случайные и грубые (промахи). Поэтому погрешность измерения, в соответствии с постулатом метрологии, всегда является случайной величиной, которую можно представить как сумму детерминированной и случайной величин.

Систематическая погрешность измерения - детерминированная составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерений одной и той же величины. Отличительные признаки систематической погрешности состоят в том, что она может быть предсказана, обнаружена и, поэтому, почти полностью скомпенсирована.

Случайная погрешность измерения - составляющая погрешности измерения, изменяющаяся случайным образом (по знаку и значению) при повторных измерениях одной и той же величины, проведенных с одинаковой тщательностью в одних и тех же условиях. В случайных погрешностях не проявляются детерминированные закономерности, как в случае систематических погрешностей. Они неизбежны, непредсказуемы и неустранимы. Cлучайные погрешности описываются методами теории случайных процессов и математической статистики.

Грубые погрешности или промахи - это случайная погрешность результата отдельного измерения в ряду измерений, которая для данных условий резко отличается от остальных результатов этого ряда.

Грубые погрешности могут возникнуть из-за ошибок или неправильных действий оператора, а также вследствие кратковременных, резких изменений условий проведения измерений. Обычно результаты измерений, содержащие грубые погрешности, обнаруживают и исключают из дальнейшего рассмотрения основываясь на статистических критериях аномальности измерений.

3. В зависимости от причины возникновения различают инструментальные, методические и субъективные погрешности измерений.

Инструментальные погрешности обусловлены неидеальностью свойств применяемых средств измерений. Они могут быть вызваны:

- несовершенством конструкции средств измерений:

- недостатками технологии изготовления;

- износом и старением отдельных элементов;

- влиянием внешних факторов на параметры средств измерений;

- неправильной установкой средства измерений;

- основными и дополнительными погрешностями средств измерений;

- ограниченной разрешающей способностью средств измерений;

- инерционными свойствами средств измерений;

- погрешностью градуировки или небольшим сдвигом шкалы;

- погрешностями, вызываемые взаимодействием средств измерений с объектом измерений;

- погрешности передачи измерительной информации и другими факторами.

Методические погрешности, иногда называемые теоретической погрешностью, возникают вследствие несовершенства метода измерений и теоретических допущений, принимаемых при описании метода измерений.

Источники методических погрешностей:

- неадекватность свойствам объект модели измерений, параметры которой принимаются в качестве измеряемых величин;

- отклонения от верных значений параметров модели, связывающей измеряемую величину с величиной на "входе" СИ (погрешность математической модели СИ);

- отклонения от принятых значений разницы между значениями измеряемой величины на входе средства измерений и в точке отбора;

- погрешность из-за эффектов квантования;

- отличие алгоритма вычислений от аналитической зависимости, связывающей результаты наблюдений с измеряемой величиной;

- погрешности, возникающие при отборе и приготовлении проб;

- погрешности, вызываемые мешающим влиянием факторов пробы (мешающие компоненты пробы, дисперсность, пористость и т.п.).

Для компенсации методических погрешностей следует использовать более точные математические модели или вводить соответствующие поправки.

Субъективная погрешность, иногда называемая личной погрешностью, связана с индивидуальными особенностями наблюдателя (оператора), навыками работы, рядом физиологических факторов, например, скоростью его реакции, особенностями цветовосприятия, остротой зрения, слуха и другими. Субъективная погрешность может быть вызвана также воздействием оператора на объект и средства измерений (искажение температурного поля, механические воздействия и пр.).

К этой группе погрешности относятся:

- погрешности считывания значений измеряемой величины со шкал и диаграмм;

- погрешности обработки диаграмм без применения технических средств (при устранений, суммировании измеренных значений и т.п.);

- погрешности, вызванные воздействием оператора на объект и средства измерений (искажения температурного поля, механические воздействия и т.п.).

Обычно субъективная погрешность помимо систематической, содержит и случайную составляющую, которая тем больше, чем ниже квалификация наблюдателя.

4. В зависимости от изменения измеряемой величины в процессе измерения погрешности СИ делят на статические и динамические.

Статическая погрешность - это постоянная погрешность измерения, характеризующаяся либо для установившегося режима работы СИ, либо при измерении неизменной во времени величины.

Динамическая погрешность - это меняющаяся во времени погрешность измерения, характеризующаяся либо для переходного процесса в СИ, либо при измерении меняющейся во времени величины.

5. По зависимости абсолютной погрешности от значений измеряемой величины различают:

- аддитивные погрешности, не зависящие от измеряемой величины;

- мультипликативные погрешности, которые прямо пропорциональны измеряемой величине;

- нелинейные погрешности, имеющие нелинейную зависимость от измеряемой величины.

Эти погрешности применяют в основном для описания метрологических характеристик СИ. Разделение погрешностей на аддитивные, мультипликативные и нелинейные весьма существенно при решении вопроса о нормировании и математическом описании погрешностей СИ.

Примеры аддитивных погрешностей - от постоянного груза на чашке весов, от неточной установки на нуль стрелки прибора перед измерением, от термоЭДС в цепях постоянного тока.

Причинами мультипликативных погрешностей могут быть: изменение коэффициента усиления усилителя, изменение жесткости мембраны датчика манометра или пружины прибора, изменение опорного напряжения в цифровом вольтметре.

6. По влиянию внешних условий различают основную и дополнительную погрешности.

Основной называется погрешность СИ, определяемая в нормальных условиях его применения. Для каждого СИ в нормативно-технических документах указываются условия эксплуатации - совокупность влияющих величин (температура окружающей среды, влажность, давление, напряжение и частота питающей сети и др.), при которых нормируется его погрешность.

Дополнительной называется погрешность СИ, возникающая при отклонении какой-либо из влияющих величин от нормальных условий.

Принципы оценивания погрешностей

Оценивание погрешностей производится с целью получения объективных данных о точности результата измерения. Точность результата измерения характеризуется погрешностью. Погрешность измерения описывается определенной математической моделью, выбор которой обуславливается имеющимися априорными сведениями об источниках погрешности, а также данными, полученными в ходе измерений. С помощью выбранной модели определяются характеристики и параметры погрешности, используемые для количественного выражения тех или иных ее свойств.

Характеристики погрешности принято делить на точечные и интервальные. К точечным относятся CKQ случайной погрешности и предел сверху для модуля систематической погрешности, к интервальным -- границы неопределенности результата измерения. Если эти границы определяются как отвечающие некоторой доверительной вероятности, то они называются доверительными интервалами. Если же минимально возможные в конкретном случае границы погрешности оценивают так, что погрешность, выходящую за них, встретить нельзя, то они называются предельными (безусловными) интервалами.

В основу выбора оценок погрешностей положен ряд принципов.

Во-первых, оцениваются отдельные характеристики и параметры выбранной модели погрешности. Это связано с тем, что модели погрешностей, как правило, сложны и описываются многими параметрами. Определение их всех весьма затруднительно, а иногда и невозможно. Кроме этого, в большинстве практических случаев полное описание модели погрешности содержит избыточную информацию, в то время как знание отдельных ее характеристик вполне достаточно для достижения цели измерения.

Во-вторых, оценки погрешности определяют приближенно, с точностью, согласованной с целью измерения. Это обусловлено тем, что погрешности определяют лишь зону неопределенности результата измерения и их не требуется знать очень точно.

В-третьих, погрешности оцениваются сверху, поэтому погрешность лучше преувеличить, чем преуменьшить, так как в первом случае снижается качество измерений, а во втором -- возможно полное обесценивание результатов всего измерения.

В-четвертых, поскольку стремятся получить реалистические значения оценки погрешности результата измерения, т.е. не слишком завышенные и не слишком заниженные, точность измерений должна соответствовать цели измерения. Излишняя точность ведет к неоправданному расходу средств и времени. Недостаточная точность в зависимости от цели измерения может привести к признанию годным в действительности негодного изделия, к принятию ошибочного решения и т. п.

Оценивание погрешностей может проводится до (априорное) и после (апостериорное) измерения. Априорное оценивание -- это проверка возможности обеспечить требуемую точность измерений, проводимых в заданных условиях выбранным методом с помощью конкретных СИ. Оно проводится в случаях:

– нормирования метрологических характеристик СИ;

– разработки методик выполнения измерений;

– выбора средств измерений для решения конкретной измерительной

задачи;

– подготовки измерений, проводимых с помощью конкретного СИ.

Апостериорную оценку проводят в тех случаях, когда априорная оценка неудовлетворительна или получена на основе типовых метрологических характеристик, а требуется учесть индивидуальные свойства используемого СИ. Такую оценку следует рассматривать как коррекцию априорных оценок.

Систематические погрешности и их обнаружение

Систематические погрешности существенно искажают результат измерений. Наибольшую опасность в этом отношении представляют систематические погрешности, о существовании которых даже не подозревают. Именно такие систематические, а не случайные, погрешности были и являются причиной ошибочных научных выводов, установления ложных физических законов, брака продукции в производстве.

Систематические погрешности измерений принято классифицировать по двум признакам: 1) в зависимости от причины их возникновения и по характеру их проявления при измерениях; 2) в зависимости от характера изменения во времени.

1. В зависимости от причины их возникновения погрешности делятся на методические, инструментальные и субъективные.

2. В зависимости от характера изменения во времени систематические погрешности подразделяют на постоянные и переменные.

Постоянные погрешности - погрешности, длительное время сохраняющие свое значение, например, в течение времени выполнения всего ряда измерений. К постоянным погрешностям можно отнести, например, систематические погрешности гирь, погрешности градуировки показывающих приборов и т.п. Постоянные систематические погрешности можно обнаружить только проверкой нуля или чувствительности средств измерений при их поверке.