Оценивание качества измерений при проектировании средств измерений

АстафьеваД.О., БарановВ.А.

Пензенский государственный университет

ОЦЕНИВАНИЕ КАЧЕСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

Систематизируются качественные и количественные характеристики качества измерений, позволяющие сравнивать варианты реализации измерительного устройства в процессе проектирования и выбирать средства измерений при решении измерительных задач. Приведены нормативные документы, устанавливающие методики расчета показателей качества.

Ключевыеслова: качество измерений, точность, правильность, прецизионность, неопределенность,

стабильность, быстродействие.

Key words: quality ofmeasurements, accuracy, trueness, precision, repeatability,

reproducibility,uncertainty, stability.

При проектировании измерительных устройстввозникает задача сравнения различных вариантов реализации по качеству измерений. Организация метрологического обеспечения научных исследований и производства также требует сравнительной оценки качества измерений при выборе средств измерений для решения возникающих измерительных задач.Ранее под качеством измерений подразумевалось почти исключительно их точность.К настоящему времени, когда измерительные технологии стали составляющей информационных технологийи высокими темпами осуществляется автоматизация промышленных измерений, потребители измерительной информации предъявляют все более разнообразные и возрастающие требования к измерениям. Понятие «качество измерений» постоянно усложняется, дополняется новыми компонентами. Отдельные характеристики качества установлены в ряде нормативных документов или пока не регламентированы.

Стандартизованные качественные и количественные характеристики измерения представлены в таблице ._______________________________________________________________________________________________

Качественная характеристика Количественная характеристика Документ, устанавливающий методику расчета по-казателяколичественной характеристики

Точность Погрешность РМГ 29-99 [2]

Правильность Систематическая погрешность ГОСТ Р ИСО 5725-4-2002[3]

Прецизионность Случайная погрешность ГОСТ Р ИСО 5725-2-2002[4]

Неопределенность Стандартная неопределенность РМГ 43-2001[5]

Стабильность Нестабильность ГОСТ 11612.11-85[6]

Быстродействие Динамические характеристики ГОСТ 8.009-84[7]

Правила по международной стандартизации ПМГ 96-2009 устанавливают некоторые из показателей характеристик качества 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)[8].

В случаях, когда результаты измерений используют (могут быть использованы) совместно с другими результатами измерений, а также при расчетах характеристик качества измерений величин, функционально связанных с результатами измерений (например, критериев эффективности, функций потерь и др.), за характеристики качества измерений принимают, в основном, точечные характеристики - среднеквадратичное отклонение погрешности или стандартную неопределенность[8].

Точность (accuracy) - степень близости результата измерений к принятому опорному значению. В отечественной метрологии точность и погрешность terror) результатов измерений, как правило, определяются сравнением результата измерений с истинным или действительным (условно истинным) значением измеряемой физической величины, являющимися фактически эталонными (опорными) значениями измеряемых величин, выраженными в узаконенных единицах[10].

Типичные составляющие погрешности измерений:

1 Методические составляющие погрешности измерений

1.1 Неадекватность контролируемому объекту модели, параметры которой принимают в качестве измеряемых величин.

1.2 Отклонения от принятых значений аргументов функции, связывающей измеряемую величину с величиной на «входе» средства измерений (первичного измерительного преобразователя).

1.3 Отклонения от принятых значений разницы между значениями измеряемой величины на входе средства измерений и в точке отбора.

1.4 Погрешность из-за эффектов квантования.

1.5 Отличие алгоритма вычислений от функции, строго связывающей результаты наблюдений с измеряемой величиной.

1.6 Погрешности, возникающие при отборе и приготовлении проб.

1.7 Погрешности, вызываемые мешающим влиянием факторов пробы (мешающие компоненты пробы, дисперсность, пористость и т.п.).

2 Инструментальные составляющие погрешности измерений

2.1 Основные погрешности и дополнительные статические погрешности средств измерений, вызываемые медленно изменяющимися внешними влияющими величинами.

2.2 Погрешности, вызываемые ограниченной разрешающей способностью средств измерений.

2.3 Динамические погрешности средств измерений (погрешности, вызываемые инерционными свойствами средств измерений).

2.4 Погрешности, вызываемые взаимодействием средства измерений с объектом измерений.

2.5 Погрешности передачи измерительной информации.

3 Погрешности, вносимые оператором

3.1 Погрешности считывания значений измеряемой величины со шкал и диаграмм.

3.2 Погрешности обработки диаграмм без применения технических средств (при усреднении, суммировании измеренных значений и т. п.).

3.3 Погрешности, вызываемые воздействием оператора на объект и средства измерений (искажения

температурного поля, механические воздействия и т.п.) [9].

Термины правильность (trueness) и прецизионность (precision) в отечественных метрологических документах начали использоваться после принятия стандарта [10], но до сих пор не получили широкого распространения.

Правильность - степень близости результата измерений к истинному или условно истинному (действительному) значению измеряемой величины или в случае отсутствия эталона измеряемой величины -степень близости среднего значения, полученного на основании большой серии результатов измерений

(испытаний) к принятому опорному значению. Количественной характеристикой правильности является систематическая погрешность.

Прецизионность - степень близости друг к другу независимых результатов измерений, полученных в конкретных условиях. Эта характеристика зависит только от случайных факторов и не связана с истинным или условно истинным значением измеряемой величины. Количественная характеристика прецизионности - среднеквадратическое отклонение результатов измерений, выполненных в определенных условиях. Значения показателей прецизионности существенно зависят от заданных условий. Экстремальные показатели прецизионности - повторяемость или сходимость (repeatability) и воспроизводимость (reproducibility) регламентируют и в отечественных нормативных документах, в том числе в большинстве государственных стандартов на методы контроля (испытаний, измерений, анализа) [10].

Стабильность (stability) - качественная характеристика средства измерений, отражающая неизменность во времени его метрологических характеристик. В качестве количественной оценки стабильности служит нестабильность средства измерений.

Нестабильность (instability) - изменение метрологических характеристик средства измерений за установленный интервал времени. Для ряда средств измерений, особенно мер физических величин, нестабильность является важнейшей характеристикой качества. Нестабильность определяют на основании длительных исследований средства измерений при периодическом сличении с более стабильными средствами измерений [2].

Количественными характеристиками быстродействия являются: переходная, амплитудно-частотная, амплитудно-фазовая, импульсно-фазовая характеристики и передаточная функция [7] . На основе данных динамических характеристик и априорной информации об измеряемой величине оценивается динамическая погрешность измерений.

В современной метрологической деятельности обязательными характеристиками качества измерений становятся экономичность и безопасность, хотя они и не определены метрологическими нормативными документами.

Экономичность измерений - многоаспектное свойство, которое учитывает производительность и себестоимость измерений, стоимость средств измерений, стоимость их эксплуатации, включая организацию и поддержание условий в зоне измерения, оплату работы оператора и др.

Безопасность измерений считают удовлетворительной, если риски нежелательных последствий имеют приемлемый уровень. Опасности процесса измерений могут быть связаны с измеряемым объектом, а также с применяемыми средствами измерений. Опасными объектами измерений являются те, которые характеризуются высокими давлениями, механическими и электрическими напряжениями, силой тока, радиоактивностью и другими энергонасыщенными свойствами, вне зависимости от того, являются ли эти свойства измеряемыми величинами. Источниками опасности в применяемых средствах измерений могут быть энергетически насыщенные явления, используемые для измерительных преобразований (например, высокие напряжения электронных мониторов, рентгеновское излучение, когерентные пучки оптических частот и другие) [11].

Содержание понятия «качество измерений» постоянно расширяется и усложняется, отдельные характеристики качества регламентируются большим числом нормативных документов с различиями в терминологии. В связи с этим актуальной задачей стандартизации представляется разработка государственного стандарта «Качество измерений физических величин».

ЛИТЕРАТУРА

1. Богданов Г.П и др. Метрологическое обеспечение и эксплуатация измерительной техники. — М.: Радио и связь, 1990.

2. РМГ 29-99 «Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Основные термины и определения»

3. ГОСТ Р ИСО 5725-4-2002 «Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений. Часть 4. Основные методы определения правильности стандартного метода измерений»

4. ГОСТ Р ИСО 5725-2-2002 «Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений. Часть 2. Основной метод определения повторяемости и воспроизводимости стандартного метода измерений»

5. РМГ 43-2001 «Руководство по выражению неопределенности измерения»

6. ГОСТ 11612.11-85 «Фотоумножители. Метод измерения нестабильности»

7. ГОСТ 8.009-84 «Нормируемые метрологические характеристики средств измерений»

8. ПМГ 96-2009 «Результаты и характеристики качества измерений.Формы представления»

9. ГОСТ Р 8.563-2009 «Государственная система обеспечения единства измерений. Методики (методы) измерений.»

10. ГОСТ Р ИСО 5725-1-2002 «Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений. Часть 1. Основные положения и определения»

11. URL:http://www.faqo.ru/metrologiya/predmetnaya-oblast-metrologii/predstavlenie-o-kachestve-izmerenii.html