Основы метрологии

  Для того, чтобы получить сравнимые результаты из оценок неопределенностей измерения, эксперты из семи международных организаций, занимающихся метрологией или стандартизацией, разработали «Руководство по выражению неопределенности измерения», (GUM). Руководство устанавливает основные правила для оценки и выражения неопределенности в измерении, которая может быть соблюдена на различных уровнях точности и в различных областях применения, от магазина до фундаментальных исследований. Некоторые базовые идеи, заложенные в концепции, приведены ниже. Однако, как говорится в Руководстве: «Оценка неопределенности - это ни рутинная, ни чисто математическая задача, она зависит от детальных знаний природы величины (которую необходимо измерить) и самого измерения».

  Правила учитывают, что неопределенность в результате измерения обычно состоит из нескольких компонентов, которые могут быть сгруппированы в две категории, в зависимости .от способа оценки их численных значений. Одна категория состоит из случайных ошибок, появляющихся из непредсказуемых изменений, которые оказывают влияние на величину, такие как окружающая температура и давление воздуха. Другая категория состоит из несовершенным образом скорректированных систематических эффектов. Руководство описывает математическое рассмотрение этих двух категорий компонентов, вносящих вклад в неопределенность измерения.

 Важно знать точность  измерительных инструментов для  того, чтобы сделать правильный  выбор. Точность измерительного  инструмента - то есть, его способность  давать меру, близкую  к «истинному»  значению, представленному стандартом, - часто выражается как процент  пределов измерений. Это значение  используют, чтобы характеризовать  класс точности инструмента. Вольтметр  класса 1 означает, что ошибка показания  инструмента должна быть не  больше, чем 1% измеряемого интервала.  Если измеряемый интервал- от 0 до 100 В, то можно ожидать погрешность в 1 В для любого инструмента в данном интервале измерений. Измерения в области нижнего предела измерений будут приводить к более высокой относительной неточности, к примеру, точность измерения 5 В равняется 20%. Это ставит вопрос о том, является ли точность в 1 В для измерения 5 В достаточной для применения в нужном случае.

  Если нет, то нужно использовать другой измерительный инструмент или другой интервал измерений для того же самого инструмента. Предположим, что можно установить интервал измерений от 0 до 10 В. Точность в этом интервале будет 0,1 В. Тогда показания прибора в 5 В  будут точными до 0,1 В или 2% от 5 В.

3. Что означает прослеживаемость?

  Прослеживаемость (привязка к эталонам) подразумевает, что измерение может быть соотнесено с национальным или международным эталоном, и что это соотношение задокументировано. Измерительный инструмент должен быть откалиброван по эталону, который сам является прослеживаемым.

 Концепция прослеживаемости является важной, потому что дает возможность сравнить точность измерений в соответствии со стандартизированной процедурой оценки неопределенности измерения. Прослеживаемость измерения и оборудования для испытаний является требованием ИСО 9001:2000 и может быть оговорена для контроля за измерительными инструментами.

  В Международном словаре основных и общих терминов, используемых в метрологии, прослеживаемость определяется как:

 «Свойство результата  измерения или значения, посредством  которого оно может быть отнесено  с заявленными эталонами, обычно  национальными или международными, через непрерывную цепь сравнений,  все из которых имеют указанные  значения неопределенности.»

 ПРИМЕЧАНИЯ:

1. Концепция часто выражается  через прилагательное прослеживаемый,

2. Непрерывная цепь сравнений  называется цепью прослеживаемости.

 Единицы измерения  самой высокой точности реализуются  международными эталонами, некоторые  из которых хранятся в МБМВ. Национальные эталоны, хранимые  национальными институтами по  метрологии, должны сравниваться  с международными. Результат этого сравнения, точность национального эталона с оцененной неопределенностью, будет указана в документе (сертификате).

  Национальный эталон служит для калибровки исходных эталонов более низкой точности. Исходные эталоны хранятся в национальных институтах метрологии для калибровок, которые не требуют высочайшей точности, и в калибровочных лабораториях. Опять же, результат указывается в документе.

  Подобным же способом исходные эталоны используются для калибровки других эталонов более низкой точности, например, рабочих эталонов. Такая же процедура применяется при калибровке измерительных инструментов с помощью рабочих инструментов. И опять же, точность и неопределенность измерения должны быть указаны в сертификате. Эти данные могут быть использованы для оценки неопределенности измерения. Это может быть уместным для измерений, проводимых для проверки соответствия спецификациям.

  Прослеживаемость достигается неразрывной цепью сравнений относительно международных эталонов. Если для определенной величины в МБМВ нет готового международного эталона, то международный эталон признается международным соглашением, чтобы служить в интернациональном масштабе основой для присваивания значений другим эталонам рассматриваемой величины. Обычно значение международного эталона определяется сличением между собой национальных эталонов наивысшего качества.

4.Что такое эталон?

  Эталон (стандарт измерения) может быть физической мерой, измерительным инструментом, стандартным образцом или измерительной системой, предназначенной для того, чтобы определять, реализовывать, сохранять или воспроизводить единицу или одно или более значений величины, чтобы служить в качестве эталона. Например, единице массы придана физическая форма в виде цилиндрического куска металла весом 1 кг; а отградуированные блоки представляют определенные значения длины.

  Иерархия эталонов начинается с международного эталона как вершины и идет вниз до рабочего эталона. Определение этих терминов, которое дается в Международном словаре основных и общих терминов в метрологии, приведено ниже:

Международный эталон – это:

эталон, признанный международным  соглашением для того, чтобы служить  в международном масштабе в качестве базы для присваивания значений другим стандартам измерения рассматриваемой  величины.

  Хранителем международных эталонов является Международное бюро мер и весов (МБМВ) в Севре, недалеко от Парижа. Самым старым используемым стандартом измерения является эталон килограмма.

Национальный  эталон – это: 

эталон, признанный национальным законодательством, чтобы служить  в данной стране в качестве базы для присваивания значений другим стандартам измерения рассматриваемой величины.

  Обычно хранителем национальных эталонов является национальная лаборатория, называемая национальным метрологическим институтом, национальным бюро стандартов или национальным бюро весов и мер. Некоторые страны не имеют национальных эталонов.

Первичный эталон – это:

эталон, который широко признается как имеющий высочайшие метрологические  качества, и значения которого принимаются  без ссылок на другие эталоны той  же величины.

  Примеры первичных эталонов - приборы Джозефсона для реализации величины «вольт» или стабилизирующие лазеры с интерферометрами для реализации величины «длина». Эти приборы используются в качестве национальных эталонов многими национальными метрологическими институтами и некоторыми первоклассно оборудованными калибровочными лабораториями.

Вторичный эталон – это:

эталон, значение которого присваивается  путем сравнения с первичным  эталоном той же величины. Обычно первичные  эталоны используются для калибровки вторичных.

Рабочий эталон –  это:

эталон, который используется для обычной калибровки или поверки  материальных мер, измерительных инструментов или стандартных образцов.

  Обычно рабочий эталон калибруется на основании вторичного эталона. Рабочий эталон, используемый в повседневной работе для обеспечения правильности проведения измерений, называется проверочным эталоном.

  Не существует общего требования в отношении точности рабочего эталона. В одном месте он может быть достаточно хорош в качестве исходного эталона, или даже в качестве национального эталона в другом месте.

  Существуют классы весов, начиная с Е1 - как наивысшего класса, за ним следуют Е2, Fl, F2, Ml, М2, МЗ. Набор весов класса точности Е2 может служить в качестве рабочего эталона в калибровочной лаборатории для калибровки набора весов класса точности F1 или ниже. Набор Е2 может служить в качестве стандартного образца в другой лаборатории, калибрующей, в основном, весы точностью класса F2 или ниже. Набор весов класса точности Е2 может быть использован в качестве национального эталона в стране, где нет спроса на более точные измерения массы, чем F1.

  Нужно отметить, что точность некоторых измерительных инструментов, используемых в промышленности, является настолько высокой, что существует необходимость в калибровке даже первичных эталонов.

Исходный эталон – это:

эталон, обладающий, как правило, наивысшими метрологическими свойствами, имеющийся в распоряжении в данном месте или в данной организации, в соответствии с которым, получают размер единицы при измерениях, выполняемых в этом месте.

  Калибровочные лаборатории используют исходные эталоны для калибровки своих рабочих эталонов.

Эталон сравнения  – это:

эталон, используемый в качестве промежуточного для сравнения эталонов.

  Резисторы используются как эталоны сравнения для сравнения эталонов напряжения. Веса используются для сравнения рычажных весов.

Передвижной эталон – это:

эталон, иногда специальной  конструкции, предназначенный для  транспортировки, и используемый для  сравнения эталонов между собой.

  Портативный, работающий на цезиевой батарее эталон частоты, может быть использован как передвижной эталон частоты. Калиброванные динамометрические элементы (ячейки нагрузки) используются в качестве передвижных эталонов силы.

5. В чем разница между калибровкой, поверкой, регулировкой и градуированием?

  Определения терминов, приведенные далее, взяты из соответствующих международных словарей.

Калибровка - комплекс операций, которые устанавливают, при специальных  условиях, соотношения между значениями величины, показываемыми измерительным  инструментом или измерительной  системой, или значениями, представленными  в стандартном образце и соответствующими значениями, реализованными в эталоне.

 ПРИМЕЧАНИЯ 

1. Результат калибровки  позволяет либо присвоить значения  измеряемых величин показаниям, либо определить поправки к  показаниям.

2. Калибровка может также  определить другие метрологические  свойства, такие как эффект влияния  величины.

3. Результат калибровки  может быть зарегистрирован в  документе, иногда называемом  сертификатом калибровки или  отчетом о калибровке.

- Международный словарь  основных и общих терминов  метрологии 

 Во время калибровки  разница между показанием инструмента,  который нужно откалибровать,  и эталоном будет определяться  в численном выражении и будет  задокументирована. Вообще, результат используется не для регулирования инструмента, а для корректировки значений показаний. Пример, жидкостно-стеклянные термометры калибруются в ванне с соответствующей жидкостью путем сравнения показаний эталонного термометра с показаниями термометра, который необходимо откалибровать. Разность показаний будет задокументирована и использована для корректировки во время температурных измерений.

Поверка измерительного оборудования

  Процедура (отличная от утверждения типового образца), которая включает проверку и маркировку и/или выпуск сертификата поверки, который удостоверяет и подтверждает, что измерительный инструмент соответствует требованиям нормативного законодательства.

- Международный словарь  терминов в законодательной метрологии, 2 изд. 

  Успешная поверка обычно подтверждается документом с печатью или специальной биркой (пломбой), или тем и другим, что доказывает что инструмент может быть использован для измерений, регулируемых законодательством, например, в торговле или для защиты окружающей среды. Часть поверки состоит в определении учтен ли предписываемый предел погрешности. Результат - «да» или «нет». Например, весы, используемые на рынках регулярно проверяются относительно стандартных весов. Если они работают в указанных пределах погрешности, они будут опломбированы. Пломба указывает на соответствие законодательным требованиям. Весы, в которых предел погрешности превышен, должны быть отрегулированы и затем только опломбированы. Если регулировка невозможна, они будут либо конфискованы, либо с них будет удалена пломба, подтверждающая корректность их работы, это значит, что весы больше не соответствуют законодательным требованиям.

  В промышленности простые измерительные устройства, часто проверяют без определения точных значений погрешности, вынося решение, просто годен ли инструмент для использования, или нет, что зависит от того находится ли его погрешность в пределах установленных спецификацией, или нет.