Обработка результатов измерений

Введение

 

Измерения - один из важнейших путей познания природы  человеком. Они играют огромную роль в современном обществе.

Наука и промышленность не могут существовать без измерений. Каждую секунду в мире производятся многие миллиарды измерительных операций, результаты которых используются для обеспечения надлежащего качества и технического уровня выпускаемой продукции, безопасной и безаварийной работы транспорта, для медицинских и экологических диагнозов и других важных целей. Практически нет ни одной сферы деятельности человека, где бы интенсивно не использовались результаты измерений, испытаний и контроля. Для их получения задействованы миллионы человек и большие финансовые средства. Примерно 15 % общественного труда затрачивается на проведение измерений. По оценкам экспертов, от 3 до 6 % валового национального продукта передовых индустриальных стран тратится на измерения и связанные с ними операции.

Диапазон  измеряемых величин и их количество постоянно растут. Так, например, длина измеряется от 10^-10 до 10¹⁷ м, температура - от 0,5 до 10⁶ К, электрическое сопротивление - от 10^-6 до 10¹⁷ Ом, сила электрического тока - от 10^-16 до 10⁴ А, мощность - от 10^-15 до 10⁹ Вт. С ростом диапазона измеряемых величин возрастает и сложность измерений. Они, по сути дела, перестают быть одноактным действием и превращаются в сложную процедуру подготовки и проведения измерительного эксперимента, обработки и интерпретации полученной информации. Поэтому следует говорить об измерительных технологиях, понимаемых как последовательность действий, направленных на получение измерительной информации требуемого качества.

Другой причиной важности измерений является их значимость. Основа любой формы управления, анализа, прогнозирования, планирования, контроля или регулирования - достоверная исходная информация, которая может быть получена лишь путем измерения требуемых физических величин (ФВ), параметров и показателей. И естественно, что только высокая и гарантированная точность результатов измерений обеспечивает правильность принимаемых решений. Современные наука и техника позволяют выполнять многочисленные и точные измерения, однако затраты на них становятся соизмеримыми с затратами на исполнительные операции.

 

1. Структура теоретической метрологии

 

Теоретическая метрология является основным разделом метрологии. Ее структура представлена в виде схемы на рисунке.

Основные  представления метрологии. Как и в любой науке, в метрологии необходимо сформулировать основные понятия, термины и постулаты, разработать учение о физических единицах и методологию.

• Основные понятия и термины. Этот подраздел занимается обобщением и уточнением понятий, сложившихся в отдельных областях измерений с учетом специфики метрологии. Главной задачей является создание единой системы основных понятий метрологии, которая должна служить базой для ее развития. Значение системы понятий определяется значимостью самой теории измерений и тем, что указанная система стимулирует взаимопроникновение методов и результатов, наработанных в отдельных областях измерений.

• Учение о физических величинах. Основой задачей подраздела является построение единой системы физических величин (ФВ), т.е. выбор основных величин системы и уравнений связи для определения производных величин. Система ФВ служит основой для построения системы единиц ФВ, рациональный выбор которой важен для успешного развития теории и практики метрологического обеспечения.

• Методология измерений. В подразделе разрабатывается научная организация измерительных процессов. Вопросы метрологической методологии являются весьма существенными, поскольку она объединяет области измерений, различные по физической природе измеряемых величин и методам измерений. Это создает определенные трудности при систематизации и объединении понятий, методов и опыта, накопленного в различных областях измерений. К числу основных направлений работ по методологии относятся:

1. переосмысление основ измерительной техники и метрологии в условиях существенного обновления арсенала методов и средств измерений и широкого внедрения микропроцессорной техники;
2. структурный анализ измерительных процессов с системных позиций;
3. разработка принципиально новых подходов к организации процедуры измерений.

Теория  единства измерений. (Теория воспроизведения  единиц физических величин и передачи их размеров.) Этот раздел традиционно является центральным в теоретической метрологии. Он включает в себя: теорию единиц ФВ, теорию исходных средств измерений (эталонов) и теорию передачи размеров единиц ФВ.

 

 

 

 

 

Структура теоретической  метрологии

  

 

 
• Теория единиц физических величин. Основная цель подраздела - совершенствование единиц ФВ в рамках существующей системы величин, заключающееся в уточнении единиц. Другой задачей является развитие и совершенствование системы единиц ФВ, т.е. изменение состава и определений основных единиц. Работы в этом направлении проводятся постоянно на основе использования новых физических явлений и процессов.

• Теория исходных средств измерений (эталонов). В данном подразделе рассматриваются вопросы создания рациональной системы эталонов единиц ФВ, обеспечивающих требуемый уровень единства измерений. Перспективное направление совершенствования эталонов - переход к эталонам, основанным на стабильных естественных физических процессах. Для эталонов основных единиц принципиально важным является достижение максимально возможного уровня для всех метрологических характеристик.

• Теория передачи размеров единиц физических величин. Предметом изучения подраздела являются алгоритмы передачи размеров единиц ФВ при централизованном и децентрализованном их воспроизведении. Указанные алгоритмы должны быть основаны как на метрологических, так и на технико-экономических показателях.

Теория построения средств измерений. В разделе обобщается опыт конкретных наук в области построения средств и методов измерений. В последние годы все большее значение приобретают знания, накопленные при разработке электронных средств измерений (СИ) электрических и особенно неэлектрических величин. Это связано с бурным развитием микропроцессорной и вычислительной техники и ее активным использованием при построении СИ, что открывает новые возможности при обработке результатов. Важной задачей является разработка новых и совершенствование известных измерительных преобразователей.

Теория точности измерений. В данном разделе метрологии обобщены методы, развиваемые в конкретных областях измерений. Он состоит из трех подразделов: теории погрешностей, теории точности средств измерений и теории измерительных процедур.

• Теория погрешностей. Этот подраздел является одним из центральных в метрологии, поскольку результаты измерений объективны настолько, насколько правильно оценены их погрешности. Предметом теории погрешностей является классификация погрешностей измерений, изучение и описание их свойств. Сложившееся исторически деление погрешностей на случайные и систематические, хотя и вызывает справедливые нарекания, тем не менее продолжает активно использоваться в метрологии. Важной частью подраздела является теория суммирования погрешностей.

• Теория точности средств измерений. Подраздел включает: теорию погрешностей средств измерений, принципы и методы определения и нормирования метрологических характеристик средств измерений, методы анализа их метрологической надежности.

Теория погрешностей средств измерений наиболее детально разработана в метрологии. Значительные знания накоплены и в конкретных областях измерений, на их основе развиты общие методы расчета погрешностей СИ. В настоящее время в связи с усложнением СИ, развитием микропроцессорных измерительных устройств актуальной стала задача по расчету погрешностей цифровых СИ вообще и измерительных систем и измерительно–вычислительных комплексов в частности.

• Теория измерительных процедур.

Теория методов  измерений - подраздел, посвященный разработке новых методов измерений и модификации существующих, что связано с ростом требований к точности измерений, диапазонам, быстродействию, условиям проведения измерений. С помощью современных средств измерений реализуются сложные совокупности классических методов. Поэтому остается актуальной традиционная задача совершенствования существующих методов и исследования их потенциальных возможностей с учетом условий реализации.

Методы  обработки измерительной информации, используемые в метрологии, основываются на методах, которые заимствуются из математики, физики и других дисциплин. В связи с этим актуальна задача обоснованности выбора и применения того или иного способа обработки измерительной информации и соответствия требуемых исходных данных теоретического способа тем, которыми реально располагает экспериментатор.

 

2. Концепция Государственной  системы обеспечения единства измерений

 

Проблема повышения  точности и достоверности измерительной  информации, т.е. проблема, которую должна решать метрология и результаты решения которой используют все отрасли народного хозяйства, была и остается одной из первостепенных государственных задач. Понятие "измерительная информация" охватывает любые данные о количественных характеристиках свойств веществ, материалов, изделий, продукции, процессов, явлений, полученные в результате выполнения измерений. На информации, полученной путем измерений, во многом основана деятельность всех органов управления народным хозяйством.

В основе всей метрологической деятельности по решению  любых научно-технических и производственных задач лежит единый метрологический базис. Этим базисом является единство измерений, т.е. такое состояние процессов получения и использования измерительной информации, при котором измерительная информация (результаты измерений) выражена в установленных единицах (шкалах) и (или) формах и оценены значения показателей ее точности (погрешности). Соответственно метрологическая деятельность, направленная на обеспечение возможности правильного и единообразного определения показателей точности (погрешности) измерительной информации определяется как "обеспечение единства измерений". Тем не менее до официального введения Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ) метрологическая практика была ограничена основным, а, по существу, единственным объектом деятельности - средствами измерений (мерами и измерительными приборами). Разработка ГСИ ознаменовала собой и этап развития метрологической практики. Внедрение ГСИ впервые в законодательном порядке включило в сферу деятельности метрологической службы процессы и результаты измерений, переориентировало ее цели и задачи с обеспечения единообразия мер и приборов на обеспечение единства измерений.

Существенно возрос уровень  методических, динамических, дополнительных погрешностей и поддержание высокой точности самих средств измерений ни в коей мере не гарантировало достижений требуемой точности получаемых и используемых в народном хозяйстве результатов измерений. Именно это обстоятельство и привело к необходимости создания ГСИ, которая и была принята Комитетом по стандартам 11 ноября 1966 г.

Основной целью ГСИ  как системы нормативных документов, по существу, являлась регламентация метрологических правил подготовки и выполнения измерений, обработки и представления их результатов. Полное и повсеместное выполнение этих правил позволяло правильно оценивать погрешности получаемых и используемых результатов измерений.

 

2.1. Предпосылки для разработки концепции ГСИ

 

Любая система, имеющая  прикладное применение, имеет научные корни, т.е. зиждется на той или иной, одной или нескольких науках. Для ГСИ основой является метрология - наука об измерениях, методах, средствах и алгоритмах обеспечения их единства и способа достижения требуемой точности. Безусловно, нормальное функционирование ГСИ как системы нереализуемо без физики, экономики, математики, политологии, химии и других наук, но метрология была, есть и останется превалирующей. Именно метрология решает проблему повышения точности и достоверности измерительной информации.

Необходимость решения  проблемы определена ее высокой народнохозяйственной значимостью, которая, в свою очередь, обусловлена следующими основными причинами:

а) отказом от административных форм управления и введением в метрологическую практику норм и требований, учитывающих переход народного хозяйства на рыночную экономику - к таким нормам и требованиям в первую очередь следует отнести передачу ранее только государственных функций управления деятельностью по обеспечению единства измерений метрологическим службам федеральных органов исполнительной власти и юридических лиц, введение антимонопольной политики в проведении метрологических работ, создание институтов калибровки и сертификации средств измерений, не попадающих под действие государственного метрологического контроля и надзора;

б) масштабами деятельности, связанной с измерениями - каждую секунду у нас в стране выполняются сотни миллионов измерений, используемых для повышения степени безопасности труда и охраны окружающей среды, технического уровня и качества продукции, учета материальных ресурсов, оптимизации технологических процессов, обеспечения безопасной и безаварийной работы транспорта, устойчивости энергетических систем, для медицинских диагнозов и в торговле. По существу, измерения являются самым массовым продуктом человеческой деятельности и спрос на этот продукт, потребности общества в этом продукте возрастают из года в год;