Справочная книга по светотехнике

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ПОНЯТИЯ ИЗМЕРЕНИЙ И МЕТРОЛОГИИ

Современная отечественная терминология в облас­ти измерений и мстролоЕ'ии регламентирована реко­мендациями Межгосударственного Совета по стандар­тизации, метрологии и сертификации РМГ 29-99 |2.1|, в которых учтены принятые Международной организа­цией по стандартизации (ИСО, ISO) термины и опре­деления в измерениях и метрологии [2.2|.

Термины измерение и метрология являются оспово - полагающими для любой области измерений, в том числе и для рассматриваемой в настоящем разделе.

Измерение — это соиокушшстъ ouepaivv по приме­нению технического средства, хранящего единицу фи­зической величины, обеспечивающих нахождение со­отношения (в явном или неявном виде) измеряемой ВЄЛИЧИНЕ. Е с ее единицей и получение значения этой ве­личины.

Физической величиной (величиной) именуется одно из свойств физического объекта (физической системы, явления или процесса), общее в качественном отноше­нии для многих физических объектов, но в количест­венном отношении индивидуальное для каждого из них. Размером величины является ее количественная определенность, не зависящая от выбора единицы из­мерения. При заданном размере величины выбор еди­ницы предопределяет значение величины, т. е. позволя­ет получить лишь различные значения одного и того же «количества» этой величины.

Метрология — это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах дости­жения требуемой точности.

Современная метрология включает три составляю­щие: теоретическую, законодательную и практическую (прикладную) метрологию [2.1|.

Теоретическая метрология — это раздел метрологии, предметом которою является разработка фундамен­тальных основ метрологии.

Законодательная метрология — это раздел метроло­гии, предметом которою является установление обяза­тельных технических и юридических требований но применению единиц физических величин, эталонов, методов и средств измерений, направленных на обес­печение единства и необходимой точности измерений в интересах общества.

Практическая (прикладная) метрология — это раздел метрологии, предметом которого являются вопросы практического применения разработок теоретической метрологии и положений законодательной метрологии.

Одним из важнейших условий нормального функ­ционирования всех отраслей экономики, пауки, меди­цины, обороны и пр. является обеспечение единства измерений физических величин.

Единством измерений именуется их состояние, ха­рактеризующееся тем, что их результатів выражаются в узаконенных единицах, размеры которых в установлен­ных пределах равны размерам единиц, воспроизводи­мых первичными эталонами, а погрешности результа­тов измерении vn\ecYUb vi с заданном пероитноетыо пс выходят за установленные пределы.

Обеспечение единства измерений — это деятельность метрологических служб, направленная на достижение и поддержание единства измерений в соответствии с за­конодательными актами, а также правилами и норма­ми, установленными государственными стандартами и другими нормативными документами по обеспечению единства измерений.

Государственной системой обеспечения единства из­мерений именуется комплекс нормативных документов межрегионального и межотраслевого уровней, устанав­ливающих правила, нормы, требования, направленные на достижение и поддержание единства измерений в стране (при требуемой точности), утверждаемых Гос­стандартом страны.

Служба, создаваемая в соответствии с законодатель­ством для выполнения работ по обеспечению единства измерений и для осуществления метрологического контроля и надзора, называется метрологической служ­бой.

Примечание. Различают государственную метрологи­ческую службу, метрологические службы государственных ор­ганон управления, метрологические службы юридических лип.

В 1993 г. принят Закон РФ «Об обеспечении един­ства измерений» [2.3]. До того, но существу, не было законодательных норм в области метрологии. Право­вые нормы устанавливались постановлениями Прави­тельства. По сравнению с положениями этих постанов­лений Закон установил немало нововведений — от тер­минологии до лицензирования метрологической дея­тельности в стране. Установлено четкое разделение функций государственного метрологического контроля и государственного метрологического надзора; пере-

С марта 2004 г. Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии.

смотрены правила калибровки. введена доброволі. ная сертификации средств измерений и др. 12.3. 2.4].

Средством измерений (СИ) именуется техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, вос­производящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение из­вестного интервала времени.

Каждое СИ предназначено для применения в опре­деленном диапазоне возможных изменений измеряе­мой величины, именуемом диапазоном измерений СИ. т. е. областью значений величині.!, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности СИ. Каждое СИ имеет шкалу, вид которой зависит от тех­нического исполнения данного средства. В соответст­вии с |2.1| шкалой средства измерений считается часть показывающего устройства, представляющая собой упорядоченный ряд отметок вместе со связанной с ними нумерацией. Понятие шалы СИ непосредственно связано с представлением о градуировочной характери­стике СИ, являющейся зависимостью между значения­ми величин на выходе и входе СИ, составленной в виде таблицы, ірафика или формулі.!. Процедура определе­ния градуировочной характеристики СИ именуется градуировкой средства измерений. Как правило, ее про­изводят нри первичном выпуске данного СИ в обраще­ние.

По истечении определенного промежутка времени эксплуатации СИ необходимо убедиться в сохранности в определенных пределах его метрологических характе­ристик. основной из которых является погрешность СИ, представляющая собой разность между показани­ем СИ и истинным (действительным) значением изме­ряемой физической величины. Этой цели служат по­верка и калибровка СИ, выполняемые через установ­ленный для данного типа СИ межповерочный (межка - либровочпый) интервал.

Поверкой средств измерений (поверкой) называется установление органом государственной метрологиче­ской службы (или другим официально уполномочен­ным органом, организацией) пригодности СИ к приме­нению на основании экспериментально определяемых метрологических характеристик и подтверждения их со­ответствия установленным обязательным требованиям.

Калибровка СИ — эго совокупность операций, уста­навливающих соотношение между значением величи­ны, полученным с помощью данного СИ, и соответст­вующим значением величины, полученным С ПОМОЩЬЮ эталона, с целью определения действительных метро­логических характеристик этого СИ.

Калибровка заменила ранее существовавшую в на­шей стране ведомственную поверку и метрологическую аттестацию СИ. В отличие от поверки, которую осуще­ствляют органы государственной метрологической службы, калибровка может проводиться любой метро­логической службой (или физическим лицом) при на­личии надлежащих условий для квалифицированного выполнения этой работы. Калибровка — добровольная операция, и сс может выполнить также и метрологиче­ская служба самого предприятия. Это еще одно отли­чие от поверки, которая обязательна и подвергается контролю со стороны органов государственной метро­логической службы 12.4].

Средства измерений делятся на рабочие и эталон­ные. Рабочее средство измерений предназначено для вы­полнения технических измерений, т. е. не связанных с передачей размера единицы другим средствам измере­ний. Это означает, что оно не может служить более точным СИ нри выполнении поверки или калибровки СИ аналогичного назначения.

Для выполнения эталонных измерений предназначе­ны эталоны разных точностных рангов. Эталонные из­мерения регламентируются поверочными схемами для СИ.

Поверочной схемой (для средств измерений) называ­ется нормативный документ, устанавливающий сопод­чинение средств измерений, участвующих в передаче размера единицы от эталона рабочим средствам изме­рений (с указанием методов и погрешности при пере­даче).

Поверочные схемы разделяют на государственные и локальные. Государственные поверочные схемы распро­страняются на все СИ данного вида, применяемые в стране. Локальные поверочные схемы предназначены для метрологических органов регионов, отраслей, ве­домств: распространяются они также и на СИ подчи­ненных им предприятий. Кроме того, может состав­ляться и локальная схема на СИ. используемые па кон­кретном предприятии. Все локальные поверочные схе­мы должны соответствовать требованиям соподчинен­ное™. которая определена государственной повероч­ной схемой. Государственные поверочные схемы разра­батываются научно-исследовательскими институтами Федерального агентства по техническому регулирова­нию и метрологии РФ, держателями государственных эталонов.

Эталон единицы физической величины представляет собой средство измерений (или комплекс средств изме­рений). предназначенное для воспроизведения и (или) хранения единицы и передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений и утвер­жденное в качестве эталона в установленном порядке.

Эталоны классифицируют как первичные, вторич­ные и рабочие.

Первичный эталон обеспечивает воспроизведение единицы с наивысшей в стране (но сравнению с други­ми эталонами гой же единицы) точностью. Первичный эталон, признанный решением уполномоченного на то государственного органа в качестве исходного па тер­ритории государства, именуется государственным пер­вичным эталоном. С этим определением совпадает по­нятие национального эталона. Последний термин при­меняют в случаях проведения сличения эталонов, при­надлежащих отдельным государствам, с международ­ным эталоном или нри проведении так называемых круговых сличений эталонов ряда стран.

Международным служит эталон, принятый по меж­дународному соглашению в качестве международной основы для согласования с ним размеров единиц, вос­производимых и хранимых национальными эталонами.

Международные эталоны храпит и поддерживает Международное бюро мер и весов. Важнейшая задача его деятельности состоиг в систематических междуна­родных сличениях национальных эталонов крупней­ших метрологических лабораторий разных стран с меж­дународными эталонами, а также в сличениях нацио­нальных эталонов между собой, что необходимо для обеспечения достоверности, точности и единства изме­рений как одного из условий международных экономи­ческих связей. Сличению подлежат эталоны как основ­ных величин Международной системы единиц, так и производных. Установлены определенные периоды сличения.

От первичною эталона размер единицы передастся вторичному эталону, а от пего, в соответствии с пове­рочной схемой, — рабочим (разрядным) эталонам.

Таким образом, поверку и калибровку СИ соответ­ствующего точностного разряда следует считать основ­ной процедурой передачи размера единицы от более точного к менее точному СИ, т. е. процедурой эталон­ною измерения.

При технических измерениях фотометрических и радиометрических величин в качестве СИ наибольшее распространение получили меры, измерительные пре­образователи, в том числе первичные (датчики), и из­мерительные приборы, а эталоны выполняются в виде измерительных установок.

Мерой физической величины (или просто мерой) служит средство измерений, предназначенное для вос­произведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и из­вестны с необходимой точностью.

Измерительным преобразователем является техниче­ское средство с нормированными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования изме­ряемой величины в другую величину или измеритель­ный сигнал, удобный для обработки, хранения, даль­нейших преобразований, индикации или передачи. Первичным измерительным преобразователем является измерительный преобразователь, на который непосред­ственно воздействует измеряемая физическая величи­на. т. е. первый преобразователь в измерительной цепи измерительного прибора (установки) [2.1].

Измерительный прибор — это средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне. К измерительным приборам относятся и компараторы, предназначенные для сравнения измеряемых величин с величинами, воспроизводимыми мерами.

Совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразова­телей и других устройств, предназначенная для измере­ний одной или нескольких физических величин и рас­положенная в одном месте, называется измерительной установкой. Соответственно, измерительную установку, применяемую для поверки, именуют поверочной уста­новкой, а входящую в состав эталона — эталонной уста­новкой.

К применению в Российской Федерации допуска­ются тины СИ, прошедшие соответствующие испыта­ния и утвержденные Федеральным агентством но тех­ническому регулированию и метрологии РФ. Утвер­ждение удостоверяется сертификатом.

Утвержденные типы СИ регистрируются в Государ­ственном реестре (Госреестре) СИ, допускаемых к при­менению в РФ. Перечень СИ разбит на 13 групп, одна из них, к которой принадлежат применяемые в свето­технике СИ световых и энергетических величин опти­ческого излучения, называется «оптические и оптико - физические измерения».

Структура описания в Госреестре типа СИ выглядит следующим образом: регистрационный номер (в скоб­ках старый замененный номер); наименование тина СИ; номер сертификата об утверждении типа СИ (в скобках старый замененный номер); срок действия сертификата; наименование, местонахождение изгото­вителя; дополнительные сведения в случае необходи­мости; назначение типа СИ; основные технические ха­рактеристики.

Наличие того или иного СИ является условием не­обходимым, но не только явно недостаточным, а и не первоочередным. Прежде всего следует выбрать метол измерений, затем подобрать или разработать подходя­щее СИ, учесть условия выполнения измерений и, на­конец, продумать методику выполнения измерений.

Физическое явление или эффект, положенное в ос­нову измерений, называется принципом измерений, а прием или совокупность приемов сравнения измеряе­мой физической величины с ее единицей в соответст­вии с реализованным принципом измерений есть метод измерений.

Метод измерений, при котором значение величины определяют' непосредственно по показывающему сред­ству измерений, именуется методом непосредственной оценки. Быстрота процесса измерения метолом непо­средственной оценки часто делает ею незаменимым для практического использования, хотя точность изме­рения бывает обычно ограниченной.

Метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой, на­зывается методом сравнения с мерой. Если при этом ре­зультирующий эффект воздействия измеряемой вели­чины и меры на прибор сравнения (компаратор) дово­дят до нуля, то мы имеем дело с нулевым методом изме­рений. Если же измеряемая величина сравнивается с однородной величиной, имеющей известное значение, незначительно отличающееся от значения измеряемой величины, и при этом измеряется разность двух вели­чин, то речь идет о дифференциальном методе измере­ний. Этот метол позволяет получить результаты с высо­кой точностью даже при использовании относительно грубых средств для измерения разности. Однако реали­зация этого метола возможна только при условии нали­чия меры требуемой точности. Это во многих случаях оказывается легче, чем изготовить СИ высокой точно­сти для измерений методом непосредственной оценки.

Метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замешают мерой с известным значением ве­личины, широко известен и именуется метолом измере­ний замещением.

Практически все применяемые в светотехнике ме­тоды измерений являются бесконтактными, т. е. основа­ны па том, что чувствительный элемент средства изме­рений пе приводится в контакт с объектом измерения.

Условия измерений моїут быть нормальнЕ>Еми. ра­бочими И IIределЬНЕ>ЕМИ.

Нормальные условия характеризуются совокупно­стью значений или областей значений влияющих вели­чин. при которых изменением результата измерений пренебрегают вследствие его малости. Условия измере­ний, при которых значения влияющих величин нахо­дятся в пределах рабочих областей, именуются рабочи­ми условиями. Предельные условия характеризуются экстремал1>НЕ>Еми значениями измеряемой и влияющих величин, которые средство измерений может ВЕїЕДСр - жать без разрушений и ухудшения его метрологических характеристик.

Погрешностью результата измерения (погрешностью измерения) является характеристика резулі»тата изме­рения, представляющая собой отклонение найденного значения измеряемой физической величины от ее ис­тинного (действительного) значения. При этом необхо­димо упомянуть о часто встречающейся путанице в по­нятиях «точності»» и «погрешность» измерения.

Точность измерений — одна из характеристик каче­ства измерения, отражающая близость к нулю погреш­ности результата измерения. Это означает, что высокая точность измерений соответствует малым погрешно­стям. и наоборот. Количественно точность может быть выражена обратной величиной модуля относительной погрешности. Например, если погрешность измерений равна 10_2% = 10"^. то точность равна 10^.

Поэтому расхожее выражение, например, «измере­ние с точностью до долей процента» неправильно, а правильно говорить о погрешности в доли процента.

С середины 70-х годов прошлого века рядом метро­логов из разных стран был поднят дискуссионный во­прос о наличии или отсутствии истинного значения из­меряемой физической всличин1>1. Утверждалось, что истинное значение всегда остается неизвестным, и ре­зультат измерения следует выражать получаемым зна­чением с оценкой не погрешности, а неопределенности резулі. татов измерения, приемлемой для решаемой из­мерительной задачи.

Поэтому Рабочей группой Международного бюро мер и весов были разработаны рекомендации но со­ставлению отчета о неопределенностях, который давал бы правила ііі>іражения неопределенности резулі. татов измерения и использовался бы службами стандартиза­ции. калибровки, аккредитации лабораторий и метро­логии. В этом руководящем документе 12.5] неопреде­ленностью результатов измерения рекомендовано счи­тать параметр, связанный с результатом измерений и характеризующий рассеяние значений, которые доста­точно обоснованно могли бы быть нрпписані>і изме­ряемой величине. Параметром может быть, например.

стандартное отклонение (или число, кратное ему), или половина интервала, имеющего указанный уровень до­верия.

Таким образом, в последние годы при оценке точ­ности эталонов, участвующих в международных сличе­ниях, российские мстролош выЕЕуждены представлять результаты воспроизведения единиц с оценкой пе по­грешности, а неопределенности результатов измерений в соответствии с Руководством 12.51.

Независимо от способа оценки точности результата измерений (указанием погрешности или неопределен­ности) достоверность его зависит не только от погреш­ности СИ. но и от правильности выбранной методики выполнения измерений (МВИ). представляющей собой установленную совокупності. операций и правил при измерении, выполнение которых обеспечивает получе­ние результатов измерений с гарантированной точно­стью в соответствии с принятым методом. Обычно МВИ регламентируется каким-либо нормативно-тех­ническим документом. Именно МВИ в значительной степени влияет па такие важнейшие элементы обеспе­чения единства измерений, как их воспроизводимость и сходимость.

Воспроизводимостью (результатов) измерений счита­ется близость результатов измерений одной и той же величины. полученнЕїіх в разных местах, разными мето­дами, разными средствами, разными операторами, в разное время, по приведенных к одним и тем же усло­виям измерений (температуре, давлению, влажности и др.). Воспроизводимость измерений может характери­зоваться средними квадратическими погрешностями сравниваемых рядов измерений.

Сходимостью (результатов) измерений считается бли­зость друг к друїу результатов измерений одной и той же величины, выполненных повторно ОДЕЕИМИ и теми же средствами, одним и тем же методом в одинаковых условиях и с одинаковой тщательностью. Сходимость измерений двух групп МЕІОЕ'ОКраТНЕ. ІХ измерений может характеризоваться размахом, средней квадратической или средней арифметической погрешностью.