Обработка результатов измерений. Метрология, стандартизация, сертификация
Метрология, стандартизация, сертификация
Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.
Термины и определения в области метрологии приведены в МИ 2247-98, которые вышли взамен ГОСТ 16263-70.
Физические величины
Физические величины свойственны материальным объектам, изучаемым в естественных и технических науках.
Физическая величина – свойство, общее в качественном отношении многим физическим объектам, но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта (длина, масса, температура и т. д.).
Размер физической величины – количественная определенность физической величины, присущая конкретному материальному объекту, системе, явлению или процессу.
Значение физической величины – выражение физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц. Отвлеченное число, входящее в значение физической величины, называется числовым значением. Например, диаметр отверстия – 10 мм.
Действительное значение физической величины – значение физической величины, полученное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному значению, что в поставленной измерительной задаче может быть использовано вместо него. При технических измерениях значение физической величины, найденное с допустимой по техническим требованиям погрешностью, принимается за действительное значение.
Истинное значение физической величины – значение физической величины, которое идеальным образом характеризовало бы в качественном и количественном отношении соответствующую физическую величину.
Единица измерения физической величины – физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное единице, и применяемая для количественного выражения однородных с ней физических величин.
Шкала измерений физической величины – упорядоченная совокупность значений величины, служащая исходной основой для измерений данной величины.
Типы шкал измерений:
– шкалы наименований характеризуются оценкой эквивалентности различных качественных проявлений свойства (например, шкалы цветов);
– шкалы порядка описывают свойства величин, упорядоченных по возрастанию или убыванию оцениваемого свойства, характерно отсутствие единицы измерения (шкалы измерения землетрясений, степени волнения моря);
– условные шкалы – шкалы величин, исходные значения которых выражены в условных единицах (шкалы наименований и порядка);
– шкалы интервалов (разностей) описывают свойства величин не только с помощью отношений эквивалентности и порядка, но и с применением отношений суммирования и пропорциональности интервалов (разностей) между количественными проявлениями свойства; шкалы имеют условно выбранное начало – нулевую точку и единицы измерений (летоисчисление по различным календарям, температурные шкалы);
– шкалы отношений описывают свойства величин, для проявления которых применимы логические отношения эквивалентности, порядка и пропорциональности; в шкалах существует естественный нуль и устанавливается единица измерения (шкалы массы и термодинамической температуры, электромагнитных волн);
– абсолютные шкалы имеют все признаки шкал отношений и дополнительно имеют естественно однозначное определение единицы измерения, характерны для относительных единиц: коэффициенты усиления, ослабления, полезного действия.
Международная система СИ
Система физических величин – совокупность физических величин, образованная в соответствии с принятыми принципами.
Основная величина – величина, входящая в систему и условно принятая в качестве независимой величины (м, кг, с, ампер, кельвин, моль, кандела).
Производная величина – величина, входящая в систему и определяемая через основные величины этой системы (м/с).
Система СИ – единая международная система единиц, была принята на ХI Генеральной конференции по мерам и весам в 1960 г. В РФ СИ действует с 1.01.1982 г.
В качестве единицы измерения длины в системе СИ принят метр. 17-я Генеральная конференция мер и весов, проходившая в 1983 году, приняла определение метра.
Метр – это длина пути, проходимого в вакууме светом за 1/299792458 долю секунды.
Единицей измерения плоского угла является радиан, который равен углу между двумя радиусами окружности, длина дуги между которыми равна радиусу.
В машиностроении применяются дольные единицы (единицы, в целое число раз меньшие системной или внесистемной единицы): линейные единицы – миллиметры и микрометры; угловые единицы – градусы, минуты и секунды.
Истинный размер – размер, полученный в результате обработки, изготовления, значение которого нам не известно, хотя оно и существует.
Действительный размер – размер, установленный измерением с допустимой погрешностью.
Линейный размер (размер) – числовое значение линейной величины в метрах или его частях.
Угловой размер – угол между двумя поверхностями или осями в радианах, градусах, минутах или секундах. Частный случай – отклонение от прямого угла или точность расположения зубьев зубчатого колеса в микрометрах.
1.2. Измерения
Измерение физической величины – совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения измеряемой величины с ее единицей и получения значения этой величины. Модель измерения:
Контроль – частный случай измерения, при котором устанавливается соответствие физической величины допускаемым предельным значениям.
По способу получения результата установлены различные виды измерений.
Прямое измерение – измерение, при котором искомое значение величины находят непосредственно.
Косвенное измерение – определение искомого значения физической величины на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной.
Совокупные измерения – одновременное измерение нескольких одноименных величин, при которых искомое значение находят решением системы уравнений.
Совместные измерения – одновременные измерения (прямые и косвенные) двух или нескольких неодноименных величин для установления зависимости между ними.
Метод измерения – прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерения.
Методы измерений:
– метод непосредственной оценки – метод измерения, в котором значение величины определяют непосредственно по показывающему средству измерения.
– метод сравнения с мерой – метод измерения, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.
– контактный метод измерений – метод измерений, основанный на том, что чувствительный элемент прибора приводится в контакт с объектом измерения.
– бесконтактный метод измерений – метод измерений, основанный на том, что чувствительный элемент средства измерений не приводится в контакт с объектом измерений.
Для проведения измерений используются различные средства измерений.
1.3. Средства измерений
Средство измерения (СИ) – техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимается неизменным в течение известного интервала времени.
Мера физической величины – средство измерения, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью.
Однозначная мера – мера, воспроизводящая физическую величину одного размера (гиря, концевая мера длины).
Многозначная мера – мера, воспроизводящая ряд одноименных величин различного размера (штриховая мера, линейка).
Измерительный прибор – средство измерения, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне.
Измерительная машина – измерительная установка крупных размеров, предназначенная для точных измерений физической величины, характеризующих изделие. Например, координатно-измерительная машина.
Измерительный преобразователь – техническое средство, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измеряемый сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейшего преобразования, индикации или передачи и имеющее нормированные метрологические характеристики.
Метрологические характеристики средств измерения – характеристики, предназначенные для оценки технического уровня и качества средства измерения.
Шкала средства измерения – часть показывающего устройства средства измерения, представляющая собой упорядоченный ряд отметок вместе со связанной с ними нумерацией.
Деление шкалы – промежуток между двумя соседними отметками шкалы средства измерений.
Длина деления шкалы – расстояние между осями двух соседних отметок шкалы, измеряемая вдоль воображаемой линии, проходящей через середины самых коротких отметок шкалы.
Цена деления шкалы – разность значений измеряемой величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы средства измерения.
Указатель – часть отсчетного устройства, положение которого относительно отметок шкалы определяет показания средства измерения (стрелка).
Диапазон показаний – область значений шкалы, ограниченная конечным и начальным значением шкалы.
Диапазон измерений – область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности средства измерения.
Измерительное усилие – сила, с которой измерительный прибор воздействует на измеряемую поверхность в направлении линии измерения.
Точность измерений – качество измерений, отражающее близость к нулю погрешности результата измерений.
1.4. Погрешности измерений
Погрешность результата измерений ΔХ – отклонение результата измерения Хизм от истинного (действительного) значения Хд измеряемой величины:
ΔХ = Хизм – Хд.
Погрешность средства измерения ΔХп – разность между показанием средства измерения и истинного (действительного) значения Хд измеряемой величины:
ΔХп = Xп – Хд.
Предел допускаемой погрешности средства измерения – наибольшая (без учета знака) погрешность средства измерения, при которой оно может быть признано годным к применению.
Инструментальная погрешность измерения – составляющая погрешности измерения, обусловленная погрешностью применяемого средства измерения.
Погрешность метода измерений – составляющая систематической погрешности измерений, обусловленная несовершенством принятого метода измерений.
Субъективная погрешность – погрешность, допущенная оператором при отсчете показаний.
Рассеяние результатов в ряду измерений – несовпадение результатов измерений одной и той же величины в ряду равноточных измерений, как правило, обусловленное действием случайных погрешностей.
По форме числового выражения установлены различные виды погрешностей.
Абсолютная погрешность ΔХизм – погрешность измерения, выраженная в единицах измеряемой величины:
ΔХизм = Хизм – Хд.
Относительная погрешность δ – погрешность, используемая для характеристики точности измерения и измеряемая в процентах:
.
Приведенная погрешность – относительная погрешность, выраженная в процентах от некоторого нормирующего значения:
,
где ХN – нормирующее значение, часто за это значение принимают верхний предел измерений, ХN = Хmax.
Поскольку истинное значение измеряемой величины всегда остается неизвестным, то за него при многократных измерениях принимают среднее арифметическое значение 
:
где n – количество проведенных измерений.
На результаты измерения влияет много различных факторов, которые определяют наличие случайной составляющей. Поэтому при выявлении погрешности измерения одно и тоже измерение, как правило, производят многократно.
По характеру проявления погрешности измерения подразделяются на систематические, случайные и грубые промахи.
Систематические погрешности – погрешности, которые при повторных измерениях остаются постоянными или изменяются по определенному закону.
Случайные погрешности – погрешности, которые при повторных измерениях принимают различные значения, не подчиняющиеся какой-либо закономерности.
Грубые погрешности (промахи) – погрешности, не характерные для технологического процесса или результата, приводящие к явным искажениям результатов измерения.
Выявление случайных погрешностей необходимо при точных измерениях. Для этого используют многократные измерения одной и той же величины.
Влияние случайных погрешностей выражается в разбросе полученных результатов относительно математического ожидания, поэтому количественно наличие случайных погрешностей оценивается среднеквадратичным отклонением:
при n ≥ 20
или
при n < 20,
где n – число измерений.
Обработка результатов измерений