Метрология

Метрология (от греч. "метро" - мера и "логос" - учение) - это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения единства и требуемой точности измерений.
занимается вопросами фундаментальных исследований, созданием системы единиц измерений, физических постоянных, разработкой новых методов измерения
занимается вопросами практического применения в различных сферах деятельности результатов теоретических исследований в рамках метрологии
включает совокупность взаимообусловленных правил и норм, направленных на обеспечение единства измерений, которые возводятся в ранг правовых положений и имеют обязательную силу и находятся под контролем государства.

Предмет метрологии - извлечение количественной информации о свойствах объектов и процессов с заданной точностью и достоверностью.
Средства метрологии – это совокупность средств измерений и метрологических стандартов, обеспечивающих их рациональное использование.
Объекты метрологии:
- единицы величин,
- средства измерений,
- эталоны,
- методики выполнения измерений.

Физические величины (ФВ)
Физической величиной называют одно из свойств физического объекта (явления, процесса), которое является общим в качественном отношении для многих физических объектов, отличаясь при этом количественным значением.
Физическая величина
качественная
характеристика
количественная
характеристика
размерность
обозначение - символ dim.
Размерность основных величин:
- длины dim l = L,
- массы dim т = М,
- времени dim t = Т.
размер
значение величины получают в результате ее измерения или вычисления в соответствии с
основным уравнением измерения:
Q = X [Q],
где Q - значение величины;
X - числовое значение измеряемой величины в принятой единице;
[Q] - выбранная для измерения единица

Истинное значение физической величины - это значение, идеально отражающее в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта.
Из-за несовершенства средств и методов измерений истинные значения величин практически получить нельзя. Их можно представить только теоретически. А значения величины, полученные при измерении, лишь в большей или меньшей степени приближаются к истинному значению.
Действительное значение физической величины - это значение величины, найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него.
Значения физических величин
(в зависимости от степени приближения к объективности)
истинное
действительное
измеренное

Физическая величина, которой по определению присвоено числовое значение, равное единице, называется единицей физической величины
Единицы физических величин объединяются по определенному принципу в системы единиц.
Эти принципы заключаются в следующем: произвольно устанавливают единицы для некоторых величин, называемых основными единицами, и по формулам через основные получают все производные единицы для данной области измерений.
В 1960 г. на XI Генеральной конференции по мерам и весам Международной организации мер и весов (МОМВ) была принята Международная система единиц (SI), которая в России применяется с 1 января 1963 г.
Основные единицы
Международной системы
единиц (SI)
единица длины- метр (м), - L
единица массы - килограмм (кг), - М
единица времени - секунда (с), - T
единица силы электрического тока - ампер (А), - I
единица термодинамической температуры кельвин (К), – Ɵ
единица силы света - кандела (кд), J
единица количества вещества - моль (моль) - N

СИСТЕМА ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ЕДИНИЦ ВЕЛИЧИН
Эталон - средство измерений, предназначенное для воспроизведения и хранения единицы величины с целью передачи размера другим средствам измерений данной величины, выполненное и утвержденное в установленном порядке
эталон
первичный
Классификация эталонов
эталон, обеспечивающий
воспроизведение единицы с наивысшей в стране точностью
государственный
официально утвержденный в качестве исходного для страны первичный эталон
Основные требования к первичному эталону:
Неизменность - способность удерживать неизменным размер воспроизводимой им единицы в течение длительного интервала времени;
Воспроизводимость - воспроизведение единицы с наименьшей погрешностью для данного уровня развития измерительной техники);
Сличаемость (способность не претерпевать изменений и не вносить каких-либо искажений при проведении сличений).
вторичный
эталон, получающий размер единицы путем сличения с первичным эталоном
эталоны-сравнения
эталоны-
свидетели
эталоны-копии
рабочие эталоны
(разряды – 1,2,3,4)
Рабочие средства измерения (РСИ)

Методы передачи информации о размере единиц
непосредственного сравнения измеряемой величины и величины, воспроизводимой рабочим эталоном;
непосредственного сличения (т.е. сличения меры с мерой или показаний двух приборов).
Размер единицы передается "сверху вниз", от более точных СИ к менее точным "по цепочке":
первичный эталон - вторичный эталон - рабочий эталон 0-го разряда - рабочий эталон 1-го разряда... - рабочее средство измерений.
РСИ обладает различной точностью измерений: наиболее точные РСИ при поверке (калибровке) получают размер от вторичных эталонов или рабочих эталонов 1-го разряда; наименее точные - от эталонов низшего разряда (3-го или 4-го).
Достоверная передача размера единиц во всех звеньях метрологической цепи от эталонов или от исходного образцового средства измерений к рабочим средствам измерений производится в определенном порядке, приведенном в поверочных схемах.
Поверочная схема – это утвержденный в установленном порядке документ, регламентирующий средства, методы и точность передачи размера единицы физической величины от государственного эталона или исходного образцового средства измерений рабочим средствам.

Классификация измерений
по характеристике точности
равноточные
неравноточные
по числу измерений
однократные
многократные
по отношению к изменению
измеряемой величины
статические
динамические
статистические
от способа получения
числового значения
прямые
косвенные

СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ
Средство измерений (СИ) –
техническое устройство, предназначенное для измерений и
имеющее нормированные метрологические характеристики.
Классификация СИ
(по функциональному
назначению)
меры,
измерительные приборы,
измерительные преобразователи,
измерительные установки
измерительные системы.

Мера – это средство измерения, предназначенное для воспроизведения или хранения физической величины заданного размера.
Разновидности мер:
однозначная мера — мера, воспроизводящая физическую величину одного размера (например, гиря 1 кг);
многозначная мера — мера, воспроизводящая физическую величину разных размеров (например, штриховая мера длины);
набор мер — комплект мер разного размера одной и той же физической величины, предназначенных для применения на практике, как в отдельности, так и в различных сочетаниях (например, набор концевых мер длины);
магазин мер — набор мер, конструктивно объединенных в единое устройство, в котором имеются приспособления для их соединения в различных комбинациях (например, магазин электрических сопротивлений).

Измерительный прибор
- средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.
по способу получения
результата измерений
показывающие
аналоговые;
цифровые
регистрирующие
самопишущие;
печатающие.

Измерительный преобразователь –
средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки или хранения.
отличие от измерительного прибора -
сигнал на выходе измерительного преобразователя не может восприниматься наблюдателем.

Измерительная установка –
совокупность функционально объединенных средств измерений (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств, предназначенных для измерения одной или нескольких ФВ и расположенных в одном месте.
Измерительная система –
совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связей, предназначенных для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки передачи и (или) использования в автоматических системах управления.

Классификация СИ
(по метрологическому
назначению)
Рабочие СИ (РСИ)
1) лабораторные;
2) производственные;
3) полевые
Эталоны

Метрологические характеристики СИ (МХ СИ)
– характеристики свойств средств измерений, оказывающие влияние на результаты и погрешности измерений.
Для каждого типа средств измерений устанавливают свои метрологические характеристики.
Метрологические характеристики, устанавливаемые нормативно-техническими документами, называют нормируемыми метрологическими характеристиками,
а определяемые экспериментально — действительными метрологическими характеристиками.
Все метрологические характеристики СИ можно разделить на две группы:
характеристики, влияющие на результат измерения (определяющие область применения СИ);
- характеристики, влияющие на точность (качество) измерения.

Основные метрологические характеристики,
влияющим на результат измерений:
Диапазон измерений средства измерений (диапазон измерений) - область значений величины, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности средства измерений.
Значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу и сверху (слева и справа), называют соответственно нижним пределом измерений или верхним пределом измерений.
Номинальное значение меры - значение величины, приписанное мере или партии мер при изготовлении.
Действительное значение меры - значение величины, приписанное мере на основании ее калибровки или поверки.
Порог чувствительности средства измерений (порог чувствительности) - характеристика средства измерений в виде наименьшего значения изменения физической величины, начиная с которого может осуществляться ее измерение данным средством.
Пример – Если самое незначительное изменение массы, которое вызывает перемещение стрелки весов, составляет 10 мг, то порог чувствительности весов равен 10 мг.

Основная метрологическая характеристика, определяющая точность измерения, - погрешность средства измерений
Классификация погрешностей СИ
по способу
выражения
абсолютная - разность между показанием средства измерений
и истинным (действительным) значением измеряемой физической величины
ΔХ = Хизм – Хд
относительная - погрешность средства измерений, выраженная
отношением абсолютной погрешности средства измерений к результату
измерений или к действительному значению измеренной физической
величины.
приведенная - относительная погрешность, выраженная отношением
абсолютной погрешности средства измерений к условно принятому значению
величины, постоянному во всем диапазоне измерений или в части диапазона
по отношению к
условиям
измерения
Основная погрешность - погрешность средства измерений, применяемого в нормальных условиях.
Дополнительная погрешность - составляющая погрешности средства измерения, возникающая дополнительно к основной погрешности вследствие отклонения какой-либо из влияющих величин от нормального ее значения или вследствие ее выхода за пределы нормальной области значений.

Класс точности средств измерений (класс точности)
- обобщенная характеристика данного типа средств измерения, как правило, отражающая уровень их точности, выражаемая пределами допускаемых основной и дополнительных погрешностей, а также другими характеристиками, влияющими на точность.
Обозначение класса точности.
- Если предел допускаемой основной погрешности выражен в форме приведенной погрешности СИ, то класс точности СИ обозначается числом, равным этому пределу, выраженному в процентах.
Если предел допускаемой основной погрешности выражен в форме относительной погрешности СИ, то класс точности обозначается числом в кружочке, равным этому пределу, выраженному в процентах.
Если пределы допускаемой основной погрешности выражены в форме абсолютной погрешности СИ, то класс точности обозначается прописными буквами римскогоалфавита или римскими цифрами. При этом чем дальше буква от начала алфавита, тем больше значение допускаемой абсолютной погрешности, например, СИ класса С более точен, чем СИ класса М.
Обозначение класса точности наносят на циферблаты, щитки и корпуса СИ, приводят в нормативной документации на СИ.

Задание
При измерении силы тока 1А наиболее точные измерения будут получены при использовании СИ:
а) диапазон измерения 0÷2А, класс точности 2
б) диапазон измерений 0÷10А, класс точности 1

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ
совокупность приемов использования принципов и средств измерений.
Метод непосредственной оценки - это такой метод измерений, при котором значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия.
Метод сравнения с мерой - это такой метод, при котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.
Метод сравнения с мерой имеет разновидности, которые часто рассматриваются как самостоятельные методы измерений:
нулевой - метод сравнения с мерой, в котором результрующий эффект воздействия измеряемой величины и встречного воздействия меры на сравнивающее устройство сводят к нулю.
дифференциальный - полное уравновешивание не производят, а разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, отсчитывается по шкале прибора.
метод замещения - метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают некоторой известной величиной, воспроизводимой мерой.
метод совпадений - разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов.

АКСИОМЫ МЕТРОЛОГИИ
Рассматривают три ситуации при проведении измерений:
ситуация до измерения,
во время измерения,
после измерения
1. Без априорной (изначальной) информации измерение невозможно. (Ситуация до измерения). Сам объект измерения является априорной информацией.
2. Измерение есть ни что иное, как сравнение: сравнения неизвестного размера Q с известным [Q]: Q/[Q] = X (Ситуация во время измерения).
Теоретически отношение двух размеров должно быть вполне определенным, неслучайным числом. Но практически размеры сравниваются в условиях множества случайных и неслучайных обстоятельств, точный учет которых невозможен. Поэтому при многократном измерении одной и той же величины постоянного размера результат получается все время разным. Это положение, установленное практикой, формулируется в виде 3 аксиомы.
3. Отсчет является случайным числом.
За результат измерения применяют среднее значение. (Ситуация после измерения)

ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ
Результаты измерений представляют собой приближенные оценки значений величин, найденные путем измерения.
Обязательно существует погрешность измерения, причинами которой могут быть различные факторы. Они зависят от метода измерения, от технических средств, с помощью которых проводятся измерения, и от восприятия наблюдателя, осуществляющего измерения.
Погрешность измерения - отклонение результата измерения Хизм от истинного или действительного значения (Хи или Хд) измеряемой величины:
Δ= Хизм – Хи
Погрешности измерения могут быть классифицированы по ряду признаков, в частности:
а) по способу выражения;
б) по характеру проявления;

погрешность измерения может быть абсолютной и относительной.
Абсолютная погрешность измерения (Δ) представляет собой разность между измеренной величиной и действительным значением этой величины
Δ = Хизм - Хд
Относительная погрешность измерения (δ) представляет собой отношение абсолютной погрешности измерения к действительному значению измеряемой величины. Относительная погрешность может выражаться в относительных единицах (в долях) или в процентах:
По способу числового выражения
или

различают систематическую (Δс) и случайную ( ) составляющие погрешности измерений, а также грубые погрешности (промахи).
Систематическая погрешность измерения (Δс) – это составляющая погрешности результата измерений, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же физической величины.
По характеру проявления
Случайная погрешность измерения ( ) - составляющая погрешности результата измерений, изменяющаяся случайным образом (по знаку и значению) при повторных измерениях, проведенных с одинаковой тщательностью, одной и той же физической величины.
В процессе измерения оба вида погрешностей проявляются одновременно, и погрешность измерения можно представить в виде суммы:
Грубые погрешности (промахи) возникают из-за ошибочных действий оператора, неисправности СИ или резких изменений условий измерений, например, внезапное падение напряжения в сети электропитания.
Источники Δс
Погрешности метода
– это погрешности, обусловленные несовершенством метода измерений, приемами использования средств измерения, некорректностью расчетных формул и округления результатов, проистекающие от ошибочности или недостаточной разработки принятой теории метода измерений в целом или от допущенных упрощений при проведении измерений.
Инструментальные составляющие погрешности
– это погрешности, зависящие от погрешностей применяемых средств измерений. Исследование инструментальных погрешностей является предметом специальной дисциплины - теории точности измерительных устройств.
Субъективные составляющие погрешности
это погрешности, обусловленные индивидуальными особенностями наблюдателя. Такого рода погрешности вызываются, например, запаздыванием или опережением при регистрации сигнала, неправильным отсчетом десятых долей деления шкалы, асимметрией, возникающей при установке штриха посередине между двумя рисками и т.д.

Этапы:
I. Подготовка к измерениям
При подготовке к выполнению измерении следует максимально возможно исключить источники и причины, которые могут вызвать появление погрешностей.
Под устранением источников погрешностей следует понимать как непосредственное его удаление (например, удаление источника тепла, вибрации и т. п.), так и защиту средств измерений и объекта измерений от влияния этих источников. Инструментальные погрешности, присущие данному экземпляру средства измерений, могут быть устранены до начала проведения измерений путем регулировки или ремонта, необходимость в которых устанавливается при поверке. Отсюда вытекает очень важное правило: проводить измерения можно только средствами измерений, прошедшими поверку или калибровку.
II. Проведение измерений
При выполнении измерении следует предусмотреть специальные приемы проведения измерений с тем, чтобы устранить известные систематические погрешности.
Методы устранения систематически погрешностей: метод компенсации погрешности по знаку, метод замещения, метод рандомизации и т. д.
III. Обработка результатов наблюдений
Полученные при измерениях результаты подлежат обработке по соответствующим статистическим правилам.
Способ обработки экспериментальных данных зависит от вида измерений (прямые, косвенные, совместные и совокупные), числа наблюдений (однократные или многократные), равноточности.
IV. Запись результатов и характеристик их погрешностей.
В соответствии МИ 1317-86. Результаты и характеристики погрешностей измерений. Формы представления. Способы использования при испытании образцов продукции и контроля их параметров.
ПРОВЕДЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ

ГОСУДАРСТВЕННАЯ СИСТЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЕДИНСТВА ИЗМЕРЕНИЙ (ГСИ)
- это система обеспечения единства измерений в стране, реализуемая, управляемая и контролируемая федеральным органом исполнительной власти по метрологии – Ростехрегулированием.
Единство измерений - это состояние измерений, при котором их результаты отражены в узаконенных единицах, погрешности известны с заданной вероятностью и не выходят за установленные пределы.
Деятельность по обеспечению единства измерения (далее - ОЕИ)
направлена на охрану - прав и законных интересов граждан, - установленного правопорядка и - экономики
путем защиты от отрицательных последствий недостоверных результатов измерений во всех сферах жизни общества на основе конституционных норм, законов, постановлений правительства РФ и НД.

Государственная система обеспечения
единства измерений
состоит из следующих подсистем:
Правовой
комплекс взаимосвязанных законодательных и подзаконных актов, объединенных общей целевой направленностью и устанавливающих согласованные требования к взаимосвязанным объектам деятельности по ОЕИ
Технической
представлена совокупностью:
межгосударственных, государственных эталонов,
эталонов единиц величин и
шкал измерений;
- стандартных образцов состава и
свойств веществ и материалов;
- стандартных справочных
данных о физических константах
и свойствах веществ и материалов;
- средств измерений и испытательного
оборудования, необходимых
для осуществления метрологического
контроля и надзора;
- специальных зданий и сооружений
для проведения высокоточных
измерений в метрологических целях;
- научно-исследовательских, эталонных,
испытательных, калибровочных и
измерительных лабораторий.
Организационной
представлена
Метрологическими службами.
Метрологическая служба
России
Государственная
Метрологическая
служба
(ГМС)
метрологические
службы
органов
Государственного
управления и
юридических лиц
(МС)
Нормативная база ОЕИ
Конституция РФ (ст. 71)
Закон РФ "Об обеспечении единства измерений"
Постановления Правительства РФ
по отдельным вопросам
метрологической деятельности
Нормативные документы:
национальные стандарты
(ГОСТ, ГОСТ Р) системы ГСИ
правила России (ПР) системы ГСИ
Рекомендации (гриф "МИ")
системы ГСИ, государственных
метрологических научных центров

ГНМЦ
несут ответственность за создание, совершенствование, хранение и применение государственных эталонов, а также за разработку нормативных документов по обеспечению единства измерений.
являются хранителями государственных эталонов, проводят исследования в области теории измерений, принципов и методов высокоточных измерений, разработки научно-методических основ совершенствования Российской системы измерений.
Государственная метрологическая служба
(ГМС)
государственные научные
метрологические центры (ГНМЦ)
и метрологические
научно-исследовательские
институты
органы Государственной
метрологической службы
на территориях субъектов
Российской Федерации
(Центры стандартизации,
метрологии и сертификации
- ЦСМС).
проводят работы по поверке и калибровке средств измерений, осуществляют Государственный метрологический контроль и надзор за обеспечением единства измерений (ГМКиН).
находится в ведении
Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии и включает

Государственный метрологический контроль и надзор (ГМКиН)
Цель - проверка соблюдения правил законодательной метрологии - Закона РФ "Об обеспечении единства измерений", стандартов, правил по метрологии и других НД.
Объекты ГМКиН:
средства измерений,
эталоны,
методики выполнения измерений,
количество товаров,
другие объекты, предусмотренные правилами законодательной метрологии.
1) здравоохранение, ветеринария, охрана окружающей среды, обеспечение безопасности;
2) торговые операции и взаимные расчеты между покупателем и продавцом, в том числе операции с применением игровых автоматов и устройств;
3) государственные учетные операции;
4) обеспечение обороны государства;
5) геодезические и гидрометеорологические работы;
6) банковские, налоговые, таможенные и почтовые операции;
7) продукция, поставляемая по государственным контрактам;
8) испытания и контроль качества продукции на соответствие обязательным требованиям государственных стандартов Российской Федерации и при обязательной сертификации продукции;
9) измерения, проводимые по поручению органов суда, прокуратуры, арбитража, других органов государственного управления;
10) регистрация национальных и международных спортивных рекордов.
ГМКиН распространяется на строго ограниченные сферы, объединенные в
10 направлений: