Качество измерений и формы представления результатов и характеристик погрешностей.

 

Важным свойством измерений является качество измерений - степень пригодности (или соответствия) измерений требованиям измерительной задачи. Качество измерений характеризуется точностью результатов измерений, их достоверностью, правильностью, сходимостью и воспроизводимостью.

Точность - это качество измерений, отражающее близость их результатов к действительному значению измеряемой величины. Высокая точность измерений соответствует малым погрешностям, как систематическим, так и случайным. Считается, что чем меньше погрешность, тем выше точность измерений. Количественно точность оценивают обратной величиной модуля относительной погрешности, т.е. точность измерений равна x _действ/D x. Например, если относительная погрешность измерений равна 10^-6, то точность соответственно равна 10⁶.

Очень часто, характеризуя качество измерений, применяют выражения типа "с точностью до 0,01 Ом", "с точностью до 1 см" и т.п. Это означает, что предельная абсолютная погрешность соответственно равна 0,01 Ом, 1см и т.д. Предельная погрешность - это максимальная погрешность измерений (плюс и минус), допускаемая для данной измерительной задачи.

Достоверность характеризует степень доверия к результатам измерений. Достоверность результатов измерений определяют на основе законов теории вероятностей и математической статистики. Результат измерений, достоверность которого неизвестна, не представляет научной или технической ценности и служит источником дезинформации. В качестве численной оценки достоверности результатов измерений обычно используют доверительную вероятность P (0,9, 0,95 или 0,99) или уровень значимости a = (1 - P).

Если, например, указан результат и его доверительная вероятность P = 0,95, то это означает, что при полностью идентичных условиях измерений в случае их повторения в 95 % из 100 результаты будут такими же, как и в первом случае. Обычно в технических измерениях доверительная вероятность принимается равной 0,9...0,95 на начальных, поисковых этапах исследования и 0,95...0,99 при формулировке окончательных выводов и заключений. Очевидно, что чем больше доверительная вероятность, тем выше достоверность результатов измерений.

Под правильностью измерений понимают качество измерений, отражающее близость к нулю систематических погрешностей в результатах измерений.

Сходимость - это характеристика качества измерений, отражающая близость друг к другу отдельных результатов измерений одной и той же величины, выполненных повторно одним и тем же методом, в одинаковых условиях и с одинаковой тщательностью. Сходимость отражает влияние случайных погрешностей на результат.

Воспроизводимость - это характеристика качества измерений, которая отражает близость друг к другу результатов измерений одного и того же размера ФВ, выполненных в различных условиях (разные исполнители, разное время, разные места, разные методы и средства), но при одних и тех же нормальных условиях.

Для обеспечения сопоставимости и возможности использования измерительной информации (результата измерений и характеристик его погрешности) необходимо применять единообразные показатели точности и унифицированные формы представления измерительной информации. Несоблюдение предписываемых норм и правил (МИ 1317-86) обычно приводит к снижению информационной ценности результатов измерений, а в ряде случаев к превращению их в источник дезинформации. Под измерительной информацией об измерениях в данном случае понимается результат измерений, характеристики погрешностей измерений и сведения о качестве измерений.

В МИ 1317-86 установлены три группы характеристик погрешностей измерений:

1. Нормы погрешностей измерений, задаваемые в качестве требуемых или допускаемых.

2. Приписанные характеристики погрешностей измерений, приписываемые совокупности измерений, выполненных по определенной стандартной или аттестованной методике.

3. Статистические оценки погрешностей измерений, отражающие близость экспериментально полученного результата измерений к действительному значению измеряемой величины.

При массовых технических измерениях, выполняемых при технологической подготовке производства, в процессах производства, контроля и эксплуатации продукции и других видах деятельности (товарообмене, торговле) применяются, в основном, нормы погрешностей измерений, а также приписанные характеристики погрешностей измерений. При записях характеристик погрешностей измерений каждый раз следует писать словами название характеристики и условия, которым они соответствуют. Различие между нормами погрешностей измерений и приписанными характеристиками погрешностей с одной стороны и статистическими оценками погрешностей с другой стороны заключается в том, что первые две представляют собой характеристики генеральной совокупности погрешности, а третья - характеристику выборки (см. глава 3).

Здесь мы притормозим и еще раз повторим, какую информацию получаем при проведении измерений. Прежде всего, некоторый результат измерений, в качестве которого обычно принимается среднее арифметическое значение результатов единичных измерений (прямые измерения) или их другой функционал (совместные или косвенные измерения). Результат будет иметь научную или техническую ценность, если указана его погрешность (погрешность среднего или функционала). Возникает вопрос: что принимать за оценку погрешности результата измерений? Оценки погрешностей базируются на теории вероятностей и математической статистике, основные положения которой и будут рассмотрены в последующих разделах.

Другими словами, в следующей главе в рецептурной форме будут описаны некоторые приемы оценки погрешностей результатов измерений, а также статистические приемы сравнения результатов измерений.

Если вы хотите, чтобы ваши результаты можно было сравнить с результатами других исполнителей, чтобы они имели техническую или научную ценность, то при составлении отчетов о проделанной работе необходимо указывать:

- принцип измерения;

- метод измерения;

- погрешности измерений;

- достоверность измерений.

В заключении этой главы остановимся на том, о чем следует иметь общие представления. В 1978 году, учитывая исключительную важность обеспечения международного единства в подходе к представлению и оцениванию погрешностей измерений, Международный комитет мер и весов (МКМВ) поручил рассмотреть эту проблему Международному бюро мер и весов (МБМВ) совместно с головными национальными метрологическими организациями.

Рабочая группа МБМВ подготовила свои рекомендации по этому вопросу, которые и были утверждены МКМВ в 1980 г. МКМВ в свою очередь поручил разработку подробного руководства по использованию рекомендаций и регулирующих нормативных актов Международной организации по стандартизации (ИСО). Итогом работы рабочей группы ИСО по метрологии явилось Руководство по выражению неопределенности измерений, изданное в 1993 г. в Швейцарии под эгидой семи международных организаций: МБМВ, ИСО, Международной электротехнической комиссии (МЭК), Международной организации законодательной метрологии (МОЗМ), Международного союза по чистой и прикладной химии, Международного союза по чистой и прикладной физике и Международной федерации клинической химии [Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement: First edition.-ISO, Switzerland,1993.]. Цель этого Руководства - обеспечить полную информацию о том, как составлять отчеты о неопределенностях измерений, и дать основу для международного сличения результатов измерений.

Таким образом, Руководство приобретает статус международного стандарта, по крайней мере, в области международного сличения результатов измерений. Естественно, что стремление России к интеграции в международное сообщество требует приведения отечественных стандартов и других нормативных документов, в том числе в области метрологии и сертификации, в соответствие с международными стандартами и другими нормативными и правовыми документами.

Но главная трудность заключается в том, что отечественные нормативные документы практически не используют понятие "неопределенность измерения" (см. главы 1 и 2) и ориентированы на традиционный и устоявшийся в стране подход, основанный на понятиях "погрешность" и "характеристики погрешности". Таким образом, между Руководством и системой отечественных стандартов и других нормативных документов существует противоречие, касающееся практического использования Руководства в России, в том числе в процессе преподавания основ метрологии.

В настоящее время на страницах специализированных периодических изданий (см. список журналов в конце первой главы) продолжаются дискуссии о целесообразности внедрения Руководства в отечественную практику, т.к. внедрение или невнедрение их может нанести существенный экономический ущерб интересам страны.

В настоящей монографии авторы придерживались традиционных понятий "погрешность" и "характеристики погрешностей".

 

ВОПРСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. В чем различие процедур “измерение” и “контроль”?

2. Какое физическое явление или эффект лежит в основе измерения температуры с помощью твердотельного термометра?

3. Можно ли рассматривать кондиционер, установленный в лаборатории, как средство измерения?

4. Какая причина может послужить источником погрешности измерения состава некоторого продукта?

5. Может ли погрешность результата измерений быть меньше погрешности средства измерений?

6. В чем отличие классических мер и стандартных образцов состава?

7. Какие измерения можно отнести к инструментальным измерениям, приведите примеры.

8. В каких случаях можно измерить истинное значение физической величины?

9. Какой метод измерений является наиболее точным?

10. Является ли термопара (ТП) средством измерения?

11. Что используют в качестве меры доверия к результатов измерений в современной метрологии?

12. Привести примеры использования в металловедении и физике металлов балльных оценок

13. Можно ли рассматривать традиционные экзамены учащихся вузов как активный контроль знаний?

14. В каких ситуациях выборочный контроль в принципе целесообразен?

15. Может ли термопара диаметром один миллиметр служить источником погрешности при точных измерениях температуры объекта малой массы (»0,5 г)?

16. В чём принципиальное различие образцовых средств измерений и рабочих средств измерений?

17. Для чего предназначены стандартные образцы состава?

 

ЧТО ЧИТАТЬ ДАЛЬШЕ

1. Хофманн Д. Техника измерений и обеспечение качества: Справочная книга/ Пер. с нем. под ред. Л.М.Закса, С.С.Кивилиса.-М.:Энергоатомиздат, 1983.-472 с.

Приведен обширный справочный материал по вопросам теории измерений, метрологическим аспектам измерений, точности измерительных систем и контроля качества продукции.

 

2. Рабинович С.Г. Погрешности измерений.-Л.:Энергия,1978.-269 с.

Содержание книги полностью отражено в заголовке. Будет полезна всем, кто занимается измерениями в различных областях науки и техники.

 

3. Цейтлин Л.М. Нормальные условия измерений в машиностроении.-Л.:Машиностроение, 1981.-224 с.

Хотя книга написана для машиностроителей, металловеды найдут в ней много интересного и поучительного.

 

4. Лозицкий Б.Н., Мельниченко И.И. Электрорадиоизмерения.-М.:Энергия, 1976.-224 с.

Книга (или ей подобная) будет полезна тем, кто собирается конструировать и изготавливать средства измерений. Изложены основные методы измерения параметров электрических сигналов, в которые, в конце концов, преобразуются перемещения, колебания, температуры и т.д. Даны рекомендации по выбору электроизмерительных приборов.

 

5.Смирнов Н.А. Современные методы анализа и контроля продуктов производства.М.:Металлургия,1985.-256с.

Учебник для студентов металлургических специальностей, в котором достаточно подробно описаны методы анализа и измерений параметров химического состава, структуры и свойств основной продукции современной металлургии.

 

6. Черепин В.Т. Экспериментальная техника в физическом металловедении. Киев: Технiка, 1968.- 280 с.

Излагаются основы физических методов исследования структурных и фазовых превращений и измерения физических свойств металлов и сплавов.

 

7. Физические эффекты в машиностроении: Справочник/ В.А.Лукьянец, З.И.Алмазова, Н.П.Бурмистрова и др.; Под общ.ред.В.А.Лукьянца.-М.:Машиностроение, 1993.-224 с.

В справочнике впервые систематизированы физические эффекты, на которых базируются принципы измерений и которые могут быть положены в основу создания новых средств измерений. Подобная книга необходима каждому техническому специалисту всех отраслей знаний.

 

8. Виглеб Г. Датчики/Пер. с нем.-М.:Мир, 1989.- 196 с.

Очень полезная книга для первого знакомства с огромным семейством измерительных преобразователей (датчиков).

 

9. Како Н., Яманэ Я. Датчики и микро-ЭВМ/ Пер. с япон.-Л.:Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1986.- 186 с.

Эта и предыдущая книги прекрасно дополняют друг друга. В книге японцев основной упор сделан на сопряжении ЭВМ с датчиками и исполнительными механизмами.

 

10. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений.-Л.:Энегргоатомиздат, 1981.-304 с.

Содержание книги отражено в ее наименовании. Книга очень полезна, написана просто и доступна всем специалистам, не имеющим специального образования по метрологии и математической статистике. Наиболее цитируемая в настоящее время, хорошо дополняет [2].

 

11.Сквайрс Дж. Практическая физика// Пер. с англ.М.:Мир,1971.-246с.

Блестящее введение в метрологию для физиков.

 

12.Деденко Л.Г., Керженцев В.В. Математическая обработка и оформление результатов эксперимента. М.: Изд-во МГУ,1977.-112с.

Это советский аналог книги Сквайрса Дж., в чем-то лучше, а в чем-то слабее. Дело вкуса. Относительно большой тираж (19000) позволяет надеяться, что книгу можно отыскать в библиотеках.

 

13.Общие методы и средства линейно-угловых измерений: Учебное пособие/Иванов О.А. и др. Под ред.Ф.В.Цидулко. -М.: Изд-во стандартов.1981. -216с.

Подробно описаны средства измерений и способы их выбора для измерения линейных и угловых размеров, а также приемы поверки средств измерений.

 

14.Металловедение и термическая обработка стали: Справ.изд.-3-е изд. В 3-х т. Т.1.Методы испытаний и исследований/Под ред. Бернштейна М.Л., Рахштадта А.Г.-М.:Металлургия,1983.-352с.

Описаны достаточно подробно методы и средства измерений свойств и структуры, используемые в металлофизическом эксперименте.

 

15.Вербицкая А.Г., Кирносов В.И. Определение механических свойств материалов. Уч. пособие. -М.: Изд-во стандартов,1984,-192с.

Описание основных методов измерений механических свойств материалов в том числе неметаллических, конструктивных особенностей средств измерений, их метрологических характеристик и методов поверки. Работать с книгой надо очень внимательно, т.к. с позиций метрологии в ней содержится много очевидных "ляпов".

 

16.Численные методы: Учебник для техникумов /И.И.Данилина, Н.С.Дубровская, О.П.Кваша и др.-М.:Высш.школа.1976.-368с.

Исключительно полезная книга, в которой излагаются основы вычислительной математики и численные методы математического анализа. Много внимания уделено описанию источников погрешностей при действиях с приближенными числами.

 

17. Государственные эталоны России: Каталог//Вступ. ст. Г.П.Воронина.-М.: Изд-во «Андреевский Флаг», 2000.-184 с.

Прекрасное подарочное издание, в котором приведено описание государственных эталонов в том числе описание более 15 эталонов основных и производных физических величин, прямо касающихся свойств металлических материалов.

 

18. Болтон У. Карманный справочник инженера-метролога. – М.: Издательский дом «Додэка - XXI», 2002.- 384 с.

Кратко описаны средства измерений, методы измерений, основные компоненты современных измерительных систем и другие базовые понятия метрологии. Подобную книгу полезно иметь не только специалистам по метрологии.