Стандартизация и аттестация методик выполнения измерений (МВИ)
Стандартизация и аттестация МВИ имеет место при организации контроля и испытаний изделий, материалов, сырья, для оценки достоверности стандартных справочных данных о свойствах веществ и материалов, т.к. гарантируется получение заданной точности измерений.
Существуют два типа измерительных задач: технологические измерения, выполняемые на стандартизованных СИ в определенных условиях и при определенных режимах измерений и исследовательского плана (например, при определении свойств материалов и изделий, при выполнении НИР), связанные чаще всего с косвенными и совокупными измерениями.
Для I типа задач можно описать МВИ в технической документации на используемые СИ. Особенностью задач II типа является необходимость определения в каждом случае такой процедуры и таких условий выполнения измерений, при которых погрешность не выйдет за определенные пределы или будет сведена к минимуму. В этом случае необходима отдельная документация на МВИ.
МВИ — это совокупность правил, норм и требований к методу, техническим средствам и правилам подготовки, проведения измерений, обработки и предоставления их результатов.
Таким образом, МВИ включает а себя три взаимосвязанных элемента: метод, технические средства и правила подготовки и выполнения измерений, обработки и представления их результатов. Третий элемент в прикладной метрологии принято называть правилами измерений.
Правила измерений — это комплекс требований к содержанию, последовательности и условиям выполнения всех операций, обеспечивающих полное решение измерительной задачи, т.е. получение информации об измеряемой величине определенным методом с помощью определенных технических средств и представления этой информации удобной форме для дальнейшего использования. Эти правила формируются в процессе разработки МВИ, а затем фиксируются в НД (стандартах, аттестованных МВИ, документации на прибор). При этом правила измерений даже простейшими приборами могут быть различными. Так, при неравномерном накоплении погрешностей нанесения шкалы линейки (из-за люфтов и механического трения в делительной машине) каждый из способов обладает разными методическими погрешностями.
Изучение свойств СИ (например, линейки) позволяет выбрать наилучший способ, сформулировать правила выполнения измерений, т.е. разработать композицию на всевозможных МВИ. Правила измерений должны охватывать все аспекты измерительного процесса, в том числе его безопасность и связь с оператором, выполняющим измерения. Т.е. МВИ должны содержать требования по ТБ и квалификации операторов.
К техническим средствам, являющихся вторым элементом МВИ, относятся СИ и вспомогательные устройства, необходимые для подготовки и выполнения измерений, обеспечения условий и режимов измерений (термостатирующие и экранирующие устройства, монтажно-соединительная арматура, кондиционеры, виброгастели и т. д.)
Третий метод МВИ — это совокупность приемов использования физических принципов и средств измерения. Это понятие часто путают то с физическим принципом измерений, то с МВИ.
Принцип измерений — это физическое явление, реализация которого в процессе измерений позволяет сформулировать определенный информационный параметр, значения которого связаны со значениями измеряемой величины (при прямых
измерениях — это информативный параметр самой измеряемой величины). Например, измерение температуры с помощью ртутного термометра основано на явлении термического расширения столбика ртути под воздействием измеряемой температуры (это физический принцип).
Для прямых измерений, где физический принцип, как правило, однозначно определяется принципом действия измерительного прибора, совокупность методических приемов (описание метода) носит метрологический характер. Такие общие метрологические приемы, называемые методами прямых измерений, позволяют в ряде случаев исключить (или компенсировать) наиболее существенные систематические погрешности измерений. Например, характерный для метода замещения метрологический прием заключается в том, что измеряемую величину замещают известной однотипной величиной, воспроизводимой мерой. Измерительный прибор при этом выступает в роли компаратора. Так, при взвешивании методом замещения в чашку весов помещают измеряемую массу и весы уравновешивают, затем измеряемая масса замещается набором гирь ( т.е. измеряемую массу снимают и на ту же чашку весов помещают набор гирь) и весы вновь уравновешивают. Таким образом, полностью исключают погрешность от неравноплечности весов.
Метод косвенных измерений отражает в своем названии физический принцип, на котором они основаны, и содержат достаточно большой комплекс технических приемов его использования. Например, метод измерения расхода жидкостей или газов по переменному перепаду давлений характеризуется большим комплексом технических приемов (это несколько страниц описания) создания в потоке жидкости (газа) перепада давлений, пропорционального средней скорости потока, использование рабочей формулы измерений (выбора стандартизованных значений коэффициентов расхода и различных поправочных коэффициентов), измерений величин, входящих в эту формулу (перепады давлений, плотности, относительной площади сужающего устройства и др.).
Несмотря на такой набор принципов и правил, это еще не МВИ расхода методом примененного перепада давлений. МВИ должна еще дополнительно включать в себя требования к монтажу, эксплуатации и контролю сужающих устройств, конкретных типов дифманометров, к условиям выполнения измерений, к оценке погрешности измерений в данных условиях.
Известно, что в настоящее время все больше находят внедрение в измерительную практику косвенные методы измерений, основанные на вновь открытых физических явлениях и закономерностях (атомно-молекулярные явления, фазовые переходы, ядерно-магнитный резонанс, ультразвук, лазеры и др.) и позволяющие обеспечить высокую разрешающую способность и точность, большие диапазоны там, где прямые методы не применимы.
При этом точность измерений определяют методические погрешности, обусловленные неполнотой рабочих уравнений, описывающих зависимости косвенно измеряемых величин от количественных характеристик физических явлений и процессов, непостоянством теоретических или эмпирических коэффициентов этих уравнений при изменении свойств измеряемых объектов, режимов условий и измерений (высокие и низкие температуры, ударные нагрузки, э/магнитные поля, вибрации и т.п.) и невозможности их воспроизведения при градуировке и проверке СИ.
Кроме того, при использовании для косвенных измерений сложных многоблочных измерительных систем и комплексов все большее влияние на формирование общей погрешности измерений оказывают характеристики вспомогательных устройств (линий связи, систем подготовки измерений).
В таких условиях вклад погрешностей собственно измерительных устройств в суммарную погрешность результатов измерений становятся все меньше. Например, при измерении массы движущегося объекта, погрешность применяемых средств измерений составляет 5-6% от суммарной погрешности результата взвешивания. Остальную часть составляют методические погрешности, погрешности, вносимые вспомогательными устройствами, и субъективные погрешности операторов, связанные с динамикой процесса измерений.
В приведенных случаях при оценке суммарной погрешности измерений нецелесообразно опираться на нормированные в НД метрологические характеристики, применяемых СИ.
Следует отметить то обстоятельство, что увеличение выпуска универсальных измерительных систем и приборов, используемых в различных измерительных процессах приводит к тому, что эти СИ необходимо индивидуально градуировать под каждую конкретную измерительную задачу. Нормируемые при выпуске из производства метрологические характеристики СИ (случайный разброс и временная стабильность выходящих сигналов) не дают достоверного представления о реальной точности измерений. В этих условиях обеспечить единство и требуемую точность измерений возможно только с помощью МА МВИ.
Имеются области измерений (например, измерение состава вещества и материалов), где аттестация МВИ является единственным способом обеспечения достоверности результатов измерений и где основным метрологическим подконтрольным объектом является МВИ, а не традиционные методы проверки и контроля — СИ.
Первоначально основная цель МА МВИ мыслилась как интенсивное создание определенного фонда стандартизованных и аттестованных МВИ наиболее сложных и в то же время распространенных промышленных измерений. Предполагалось, что производственники смогли бы выбирать из этого фонда удовлетворяющие их по точности условиям применения МВИ, и это обеспечило бы выполнение наиболее ответственных промышленных измерений с гарантированной точностью. Но эта цель до сих пор не реализована. В современной трактовке цель МА МВИ определяется как обеспечение единства и требуемой точности измерений там, где другими способами обеспечит это невозможно. При этом суть способа заключается в том, что гарантированные значения погрешностей априорно (до выполнения измерений и обработки результатов) “приписываются” всем измерениям, выполняемым на конкретной МВИ на основании результатов предварительной МА.
Возможны и существуют две задачи, которые решаются в процессе МА МВИ.
1.Задача минимум — это априорная оценка погрешностей измерений, которые могут и будут выполняться по данной МВИ;
2.задача максимум — определение таких режимов, условий и процедуры измерений, при которых погрешности будут минимальны.
Первая задача решается при аттестации достаточно простых по процедуре и требующих предельно возможных точностей МВИ. Вторая при МА МВ, включающих сложные многоблочные измерительные комплексы и в случае высоких требований к точности выполняемых измерений.
Что же такое МА МВИ в трактовке первой и второй задач? При решении первой задачи, МА МВИ — это исследования направленные не априорную оценку погрешностей измерений, которые могут и будут выполняться по данной МВИ, с выдачей документа (аттестата) с указанием полученных результатов.
При решении второй задачи, МА МВИ — это исследования, направленные на определение таких режимов, условий и процедуры выполнения измерений, которые обеспечивают min погрешности измерений, априорную оценку значений этих погрешностей, и выдачу документа с указанием полученных результатов.
Примером МВИ первого типа может служить методика определения предельно допустимой концентрации одного определенного газа в промышленных выбросах с помощью анализатора состава. Здесь не столь важна погрешность измерений, сколько чувствительность, т. е. разрешающая способность методики.
Примером МВИ второго типа может служить методика определения степени чистоты исходных для МО химического производства веществ хроматографическими методами. Здесь уже важна max возможная точность, да и многоблочная хромотографическая система имеет несравненно большее число параметров, характеризующих условия и режимы работы блоков, влияющих на погрешность измерений. Согласно изложенному можно определить в каких случаях необходима МА МВИ.
Для простейших (прямых) измерений показатели точности (основная и дополнительная погрешность) приведены в НД на СИ, а именно: ТУ, паспорт, инструкция по эксплуатации и т. п. МА МВИ как способ обеспечения единства и точности этих измерений нецелесообразна.
В случае необходимости уточнения оценок реальной точности измерений, выполняемых на конкретных СИ, можно осуществить их МА. Методики выполнения сложных измерений, показатели точности которых существенно зависят от методических погрешностей и погрешностей вспомогательных устройств и объекта измерений, подлежат обязательной МА.