Способы представления результатов измерений
При записи результата измерений указывают оценку значения величины и характеристики погрешности/неопределенности измерений (далее - характеристики точности измерений), другую информацию, относящуюся к измерениям в зависимости от варианта его (результата) дальнейшего использования.
Характеристики точности измерений могут быть представлены в единицах измеряемой величины (абсолютные) или в процентах (относительные). Наименьшие разряды числовых значений результатов измерений принимают такими же, как и наименьшие разряды числовых значений абсолютных характеристик точности измерений.
Правила ПМГ 96 – 2009 «ГСИ. Результаты и характеристики качества измерений. Формы представления» устанавливают следующие характеристики точности измерений:
- среднеквадратичное отклонение погрешности измерений или стандартную неопределенность измерений (точечные характеристики качества измерений);
- границы интервала, в котором погрешность измерений находится с заданной вероятностью, или расширенную неопределенность измерений (интервальные характеристики качества измерений).
Математическое ожидание погрешности/неопределенности измерений не рассматривают в качестве характеристики погрешности/неопределенности измерений, так как оно представляет собой систематическую погрешность, и если ее значение известно, то в результат измерений вводят поправку.
Если результаты измерений используют (или предполагают, что могут быть использованы) совместно с другими результатами измерений или при расчетах значений величин, функционально связанных с результатами измерений (например, при косвенных измерениях), точность измерений определяют, в основном, точечными характеристиками – средним квадратическим отклонением погрешности или стандартной неопределенностью.
В случаях, когда результаты измерений являются окончательными и не предназначаются для совместного использования с другими результатами измерений и для расчетов, применяют интервальные характеристики – указывают границы, в пределах которых находится погрешность с заданной вероятностью, или значение расширенной неопределенности.
Характеристики точности измерений представляют числом, содержащим не более двух значащих цифр. Для промежуточных результатов расчета рекомендуется сохранять третью значащую цифру. При записи окончательного результата третью значащую цифру округляют в большую сторону. Допускается характеристики погрешности/неопределенности представлять числом, содержащим одну значащую цифру. В этом случае вторую значащую цифру округляют в большую сторону, если цифра последующего неуказываемого младшего разряда равна или больше пяти, или в меньшую сторону, если эта цифра меньше пяти.
Результат измерений представляют именованным или неименованным числом.
Пример - 100 кВт; 20 °С - именованные числа; 0,44; 2,765 - неименованные числа.
При одинаковых числовых значениях (без учета знаков) нижних и верхних границ интервальных характеристик точности измерений указывают одно числовое значение.
Пример. Результат измерений: Расход жидкости Q =10,75 м3/с; Δ=0,15 м3/с; Р=0,95.
В противном случае границы указывают отдельно каждую со своим знаком.
Пример. Результат измерений: Расход жидкости Q =10,75 м3/с; Δl= - 0,13 , Δh = + 0,15 м3/с (здесь индексами l и h обозначены нижняя и верхняя границы погрешности); Р=0,95.
Допускается представление результата измерений доверительным интервалом, покрывающим с известной (указываемой) доверительной вероятностью истинное значение измеряемой величины. В этом случае статистические оценки характеристик погрешности/неопределенности измерений отдельно не указывают.
Пример. Значение измеряемого расхода Q – в интервале от 10,50 до 11,00 м3/с с доверительной вероятностью 0,95.
При необходимости результат измерений сопровождают дополнительной информацией об условиях получения измерительной информации. Например, указывают: частотные спектры измеряемой величины или диапазон скоростей ее изменения; диапазоны значений величин, существенно влияющих на погрешность измерений (средств измерений).
Пример. Расход жидкости 10,75 м3/с; uc=0,10 м3/с. Условия измерений: температура жидкости 20оС, кинематическая вязкость 1,5∙10-6 м2/с.
Представление результатов измерений, полученных как среднее арифметическое значение результатов многократных наблюдений, сопровождают указанием числа наблюдений и интервала времени, в течение которого они проведены. Если измерения проводят по методике, установленной в каком-либо документе, вместо указания числа наблюдений и интервала времени допускается ссылка на этот документ.
Пример. Температура Т=263,7оС. Число наблюдений – 50, в течении 45 мин. Характеристики погрешности и условия измерений – в соответствии со свидетельством об аттестации МВИ № 13 от 23.1.2003 г.
Примеры обозначений также были приведены ранее при решении задач.
При оформлении результатов измерений, связанных с международными работами (международные сличения эталонов, поверка или калибровка средств измерений для зарубежных стран), а также с исследованиями первичных государственных эталонов, для характеристики точности измерений следует использовать параметры неопределенности (стандартную неопределенность, суммарную стандартную неопределенность и расширенную неопределенность) в соответствии с международной рекомендацией [24].
Для подробного описания того, как были получены результат измерения и его неопределенность, необходимо [24]:
а) ясно отразить методы, используемые для вычисления результата измерения и его неопределенности;
б) перечислить все составляющие неопределенностей и полностью задокументировать, как они оценивались;
в) представить анализ данных таким образом, чтобы можно было легко, в случае необходимости, независимо повторить вычисления сообщаемого результата;
г) дать все поправки и константы, используемые в анализе, и их источники.
Исходя из перечисленных требований, результат измерения должен содержать:
а) значения каждой входной оценки xi и ее стандартной неопределенности u(Xi) вместе с описанием того, как они были получены;
б) оцененные ковариации и коэффициенты корреляции (а лучше и те, и другие) для всех коррелированных входных оценок и методы, использованные для их получения;
в) степени свободы для стандартной неопределенности каждой входной оценки и то, как они были получены;
г) функциональную зависимость Y=f(X1, X2, …, Xn), и, в случае необходимости, частные производные или коэффициенты чувствительности ∂f/∂xi. (Коэффициенты, определенные экспериментально, указывают обязательно).
Для технических измерений подробный отчет о неопределенности, как правило, не требуется. Поэтому результат измерений содержит сведения о расширенной неопределенности или суммарной стандартной неопределенности.
Примеры записи результатов для таких случаев (см. также [24]).
Пример. Когда мерой неопределенности является расширенная неопределенность U : «Масса m = (100,02147 ± 0,00079) г. Число, следующее за знаком ±, является значением расширенной неопределенности U = k·uc. Суммарная стандартная неопределенность uc = 35 мг. Коэффициент охвата k = 2,26 принят на основе t – распределения для числа степеней свободы ν = 9 и при уровне доверия 95 процентов».
Пример. Если мера неопределенности - uc, :
Вариант 1: «Масса m =100,02147 г с суммарной стандартной неопределенностью uc = 0,35 мг;
Вариант 2: «Масса m =(100,02147 ± 0,00035) г, где число, следующее за знаком ±, является численным значением uc, а не доверительным интервалом.
Методики измерений
Согласно ст.5 ФЗ №102 «Об обеспечении единства измерений», измерения, относящиеся к сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений, должны выполняться по аттестованным методикам (методам) измерений. Методики измерений разрабатывают и применяют также и вне сферы государственного регулирования.
Методика (метод) измерений (далее, сокращенно, МИ) - совокупность конкретно описанных операций, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с установленными показателями точности. (В нормативных документах, принятых до 2008 года, применялось название методика выполнения измерений и сокращение МВИ).
Необходимость разработки МИ обусловливается частостью повторения измерений, значимостью их результатов, сложностью измерений и обработки их результатов. Обычно методика измерений регламентируется каким-либо нормативно-техническим документом.
Для измерений с помощью простых показывающих приборов (давления с помощью манометров, электрических величин щитовыми приборами, линейно-угловых и многих других величин) предоставление отдельного документа на МИ не требуется.
В этих случаях достаточно лишь указания типов и основных метрологических характеристик средств измерений в конструкторской, технологической или проектной документации.
Такое же положение имеет место при выполнении многих измерений с помощью автоматических или автоматизированных средств измерений (информационно – измерительных систем, измерительно-вычислительных комплексов, информационной подсистемы АСУ технологическими процессами и т.п.). МИ с применением таких устройств содержатся в алгоритмах и программном обеспечении. При испытаниях с целью утверждения типа средств измерений алгоритмы и программы апробируются.
В соответствии с Законом РФ «Об обеспечении единства измерений» методики (методы) измерений, предназначенные для выполнения прямых измерений, должны вноситься в эксплуатационную документацию на средства измерений.
Общие требования и положения в части разработки, оформления, содержания, аттестации, стандартизации и метрологического надзора за МИ определены ГОСТ 8.563 [7], МИ 2377 – 98 [14] и МИ 3269 – 2010 [30].
Схема процедуры разработки МИ, включающая экспертизу, аттестацию, стандартизацию МИ, в общем виде показана на рисунке 9.
| Разработка, согласование и утверждение технического задания |
| Формирование исходных данных для разработки |
| Выбор (разработка) метода и средств измерений |
| Проведение испытаний и утверждение типа средств измерений |
| Выбор (разработка) методов и средств поверки (калиб- ровки) используемых СИ |
| Разработка методов оперативного контроля точности измерений |
| Разработка и экспертиза документа на МИ |
| Аттестация МИ |
| Стандартизация МИ |
| Утверждение документа на МИ |
Рис. 9. Процедура разработки методики измерений
Разработка МИ производится метрологическими службами предприятий и организаций на основе исходных данных, которые могут быть приведены в техническом задании, технических условиях и других документах.
К исходным данным относятся:
· область применения (объект измерений, в т.ч. наименование продукции и контролируемых параметров, а также область использования - для одного предприятия, для сети лабораторий и т.п.);
· наименование измеряемой величины и пределы её измерений;
· требования к показателям точности измерений;
· требования к условиям выполнения измерений;
· характеристики объекта измерений, если они могут влиять на точность измерений (выходное сопротивление, жесткость в месте контакта с датчиком, состав пробы и т.п.);
· при необходимости другие требования к методике измерений.
Требования к точности измерений приводят путем задания показателей точности (характеристик погрешности или неопределенности измерений) и ссылки на документы, в которых эти значения установлены.
Дополнительно могут потребоваться следующие сведения:
· вид индикации и формы регистрации результатов измерений;
· требования к автоматизации измерительных процедур;
· требования к обеспечению безопасности выполнения работ.
· о наличии средств измерений, в том числе утвержденных типов;
· о наличии других технических средств, в том числе средств вычислительной техники, которые могут быть использованы при измерениях;
· о наличии эталонов, стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов, аттестованных смесей для поверки (калибровки) средств измерений, которые могут быть использованы в МИ;
· о квалификации операторов, выполняющих измерения;
· другие данные в соответствии со спецификой МИ.
При разработке МИ одним из основных исходных требований является обеспечение точности измерений. В ряде нормативных документов приводятся требования к точности измерений в наиболее распространенных технологических процессах. Однако часто такие требования в явном виде отсутствуют и их необходимо установить, исходя из требований к достоверности измерительного контроля или погрешности результатов испытаний, требований к другим результатам реализации информационных и управляющих функций системы управления (например, к точности вычисления технико-экономических показателей) или к самому объекту контроля (см. раздел 2).
При разработке МИ опираются на рекомендации МИ 1967-89 «ГСИ. Выбор методов и средств измерений при разработке методик выполнения измерений. Общие положения». Для намеченного средства измерений определяют характеристики погрешности/неопределенности измерений, используя расчетные, экспериментальные или расчетно-экспериментальные методы.
Для расчета характеристик погрешности/неопределенности в общем случае используют:
-метрологические характеристики средств измерений, нормированные по ГОСТ 8.009;
-характеристики влияющих величин, определяющие условия измерений, в частности, условия применения средств измерений;
-характеристики объекта измерений, влияющие на погрешность измерений.
Результатом разработки является документ на методику измерений, состоящий из вводной части и следующих разделов:
ü -требования к показателям точности измерений или приписанные характеристики показателей точности измерений;
ü -средства измерений, вспомогательные устройства, материалы, растворы;
ü -метод (методы) измерений;
ü -требования безопасности, охраны окружающей среды;
ü -требования к квалификации операторов;
ü -условия измерений;
ü -подготовка к выполнению измерений;
ü -выполнение измерений;
ü -обработка (вычисление) результатов измерений;
ü -оформление результатов измерений;
ü -контроль точности результатов измерений.
Состав разделов можно корректировать исключением, объединением и дополнением разделов.
Краткая характеристика содержания разделов (подробнее - см. книгу [7]).
Во вводной части приводят информацию о назначении и области применения документа на методику измерений.
Раздел «Требования к показателям точности измерений» содержит числовые значения показателей точности измерений и ссылку на документ, в котором они приведены.
Раздел «Средства измерений, вспомогательные устройства и материалы» должен включать перечень всех средств измерений, вспомогательных устройств, материалов, реактивов, применяемых при выполнении измерений. В разделе приводят метрологические характеристики средств измерений и стандартных образцов, технические характеристики вспомогательных устройств и качественные характеристики материалов и реактивов с обозначением документов, в соответствии с которыми их выпускают (для методик измерений в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений указывают типы средств измерений и стандартных образцов).
В разделе «Метод измерений» приводят описание приемов сравнения измеряемой величины с единицей в соответствии с принципом, положенным в основу метода. Если для измерений одной величины применяют несколько методов или документ устанавливает методики измерений двух или нескольких величин, то описание каждого метода выделяют в отдельный подраздел.
Раздел «Требования безопасности, охраны окружающей среды» содержит требования, выполнение которых обеспечивает при выполнении измерений безопасность труда, нормы производственной санитарии и охрану окружающей среды. При наличии нормативных документов, регламентирующих требования безопасности, производственной санитарии и охраны окружающей среды в разделе приводят ссылку на эти документы.
Требования безопасности устанавливают для методики измерений, если ее реализация связана с риском реальной или потенциальной опасности для жизни, здоровья человека, возможностью нанесения материального ущерба и/или ущерба окружающей среде.
Раздел «Требования к квалификации операторов» содержит сведения об уровне квалификации (профессии, образовании, производственном опыте и др.) лиц, допускаемых к выполнению измерений. Этот раздел включают в документ на методику измерений при использовании сложных неавтоматизированных методов измерений и процедур обработки их результатов.
В разделе «Условия измерений» приводят перечень влияющих величин, их номинальных значений и (или) границ диапазонов возможных значений, а также другие характеристики влияющих величин, требования к объекту измерений. К числу влияющих величин относят параметры сред (образцов), напряжение и частоту тока питания, внутренние импедансы объектов измерений и другие характеристики.
В раздел «Подготовка к выполнению измерений» включают описание подготовительных работ, которые проводят перед выполнением непосредственно измерений. К этим работам относят предварительное определение значений влияющих величин, сборку схем, подготовку и проверку режимов работы средств измерений и других технических средств (установка нуля, выдержка во включенном состоянии, тестирование и т.п.), подготовку проб к измерениям.
Раздел «Выполнение измерений» содержит перечень, объем, последовательность операций, периодичность и число измерений, описание операций, требования к представлению промежуточных и конечных результатов (число значащих цифр и др.).
В разделе «Обработка (вычисление) результатов измерений» приводят описание способов обработки и получения результатов измерений. Если способы обработки результатов измерений установлены в других документах, в разделе приводят ссылки на эти документы.
Раздел «Оформление результатов измерений» содержит требования к форме, в которой приводят полученные результаты измерений. В разделе указывают вид носителя измерительной информации (документ, магнитная лента, лента самопишущего прибора и т.п.). При необходимости приводят сведения о применяемых средствах измерений и других технических средствах, дате и времени получения результата измерений.
В разделе «Контроль точности результатов измерений» указывают сведения о контролируемых параметрах, средствах, процедурах, нормативах контроля, а также приводят рекомендации по периодичности контроля. Отдельные процедуры, например приготовление образцов для контроля точности, могут быть описаны в приложении к документу на методику измерений.
Методики (методы) измерений, относящиеся к сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений, подлежат обязательной аттестации на соответствие обязательным метрологическим требованиям к измерениям. Порядок аттестации таких методик (методов) измерений и их применения устанавливается федеральным органом исполнительной власти, осуществляющим функции по выработке государственной политики и нормативно-правовому регулированию в области обеспечения единства измерений (Министерством промышленности и торговли).
Методики измерений, используемые вне указанной сферы, аттестуют в порядке, установленном в ведомстве или на предприятии.
Организации и предприятия должны иметь перечни документов на методики измерений, применяемые в данной организации и на данном предприятии, если они относятся к сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений.
Аттестация методик измерений – исследование и подтверждение соответствия методик (методов) измерений установленным метрологическим требованиям к измерениям.
При аттестации методик измерений проводят исследование и подтверждение соответствия:
- методик измерений их целевому назначению, т.е. соответствие предлагаемой методики свойствам объекта измерений и характеру измеряемых величин;
- условий выполнения измерений требованиям к применению данной методики измерений;
- показателей точности результатов измерений и способов обеспечения достоверности измерений установленным метрологическим требованиям;
- используемых в составе методики измерений средств измерений, стандартных образцов условиям обеспечения прослеживаемости результатов измерений к государственным первичным эталонам единиц величин, а в случае отсутствия соответствующих государственных первичных эталонов единиц величин, к национальным эталонам единиц величин иностранных государств;
- записи результатов измерений требованиям к единицам величин, допущенным к применению в Российской Федерации;
- форм представления результатов измерений метрологическим требованиям.
Аттестацию МИ осуществляют метрологические службы и иные организационные структуры по обеспечению единства измерений предприятий (организаций), разрабатывающих или применяющих МИ.
В сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений аттестацию методик (методов) измерений проводят аккредитованные в установленном порядке в области обеспечения единства измерений юридические лица и индивидуальные предприниматели.
Аттестацию МИ осуществляют на основе результатов метрологической экспертизы материалов разработки МИ и документа, регламентирующего МИ, и теоретического и экспериментального исследований МИ. При положительных результатах оформляется свидетельство об аттестации МИ.
Качество измерений.
Качество измерений – совокупность свойств результатов измерений, обусловливающих их пригодность для достижения цели измерений. Для характеристики качества измерений используют следующие свойства: точность, достоверность, сходимость, правильность, воспроизводимость.
Точность – свойство результата измерений, отражающее его близость к истинному значению измеряемой величины. Для количественной характеристики точности используют значение погрешности/неопределенности измерений.
Достоверность – свойство результата измерений, характеризуемое степенью доверия к оценке погрешности/ неопределенности измерений.
Сходимость - близость друг к другу результатов измерений одной и той же величины, выполненных повторно одними и теми же средствами, одним и тем же методом, в одинаковых условиях и с одинаковой тщательностью.
Правильность – свойство результата измерений, характеризуемое близостью к нулю систематической составляющей погрешности измерений.
Воспроизводимость – близость результатов измерений одной и той же величины, полученных в разных местах, разными методами, разными средствами, разными операторами, в разное время, но приведенных к одним и тем же условиям измерений.
Достижение требуемого уровня качества измерений является одной из главных задач обеспечения единства измерений (метрологического обеспечения).