Качество измерений и способы его достижения
ОСНОВЫ МЕТРОЛОГИИ И ИЗМЕРЕНИЙ
Понятие, предмет и задачи метрологии
Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства к требуемой точности.
Современная метрология включает три составляющие: законодательную метрологию, фундаментальную (научную) и практическую (прикладную) метрологию. Из прикладной метрологии для нужд машиностроения выделяют технические измерения. В настоящее время к техническим измерениям, рассматриваемым во взаимной связи с точностью и взаимозаменяемостью в машиностроении, относят измерения линейных, угловых и радиусных величин. Результаты измерений выражают в узаконенных величинах.
Главная задача метрологии – обеспечение единства измерений, которая может быть решена при соблюдении двух условий:
1) выражение результатов измерений в единых узаконенных единицах;
2) установление допускаемых погрешностей результатов измерений и пределов, за которые они не должны выходить при заданной вероятности.
Основные задачи метрологии:
1) установление единиц физических величин, государственных эталонов и образцовых средств измерений, контроля и испытаний;
2) обеспечение единства измерений и единообразных средств измерений;
3) разработка методов оценки погрешностей состояния средств измерения, контроля и испытаний;
4) передача размеров единиц от эталонов или образцовых средств измерений рабочим средством измерений.
Нормативно-правовой основой метрологического обеспечения точности измерений является Государственная служба обеспечения единства измерений (ГСИ). Основные нормативные документы ГСИ − государственные стандарты. Принята Международная система единиц (СИ), на основе которой для обязательного применения разработан ГОСТ 8.417-2002.
Главными единицами физических величин в СИ являются семь основных единиц и свыше 50 производных, имеющих специальные названия.
Основные единицы: метр − м (длина), килограмм − кг (масса), секунда − с (время), ампер − А (сила тока), кельвин − К (термодинамическая температура), моль (количество вещества) и кандела − кд (сила света).
Кратные и дольные единицы образуются умножением на степень числа 10. Им присвоены определенные названия и обозначения; мега – М (10 6 ), кило– к (10 3 ), милли – м (10 –3 ), микро – мк (10 –6 ) и др. Единство измерений поддерживают путем передачи единиц величин от элемента к рабочим средствам измерений, осуществляемой по ступенькам образцовых мер и измерительных приборов. Точность указанных мер понижается от ступеньки к ступеньке в 2–4 раза.
Средства измерений (СИ) в соответствии с поверочной схемой периодически подвергаются поверке, которая заключается в определении метрологическим органом погрешности средств измерений и установлении его пригодности к применению. Сеть метрологических органов называетсяметрологической службой. Деятельность этих органов направлена на обеспечение единства измерений и единообразия средств измерений путем проведения поверки, ревизии и экспертизы средств измерений.
Единообразие средств измерений – их состояние, характеризующееся тем, что они проградуированы в узаконенных единицах, а их метрологические свойства соответствуют нормам.
Качество измерений и способы его достижения
Качество измерений– совокупность свойств, обусловливающих получение результатов с требуемыми точностными характеристиками, в необходимом виде и в установленные сроки.
Качество измерений характеризуется такими показателями, как точность, правильность и достоверность. Эти показатели должны определяться по оценкам, к которым предъявляются требования состоятельности, несмещенности и эффективности.
Истинное значение измеряемой величины отличается от среднего значения на величину систематической погрешности. Оценку х‘ числовой характеристики закона распределения х, изображаемую точкой на числовой оси, называют точечной оценкой. В отличие от числовых характеристик оценки являются случайными величинами, причем их значение зависит от числа наблюдений.
Состоятельная оценка– оценка, которая сводится по вероятности к оцениваемой величине.
Несмещенная оценка – оценка, математическое ожидание которой равно оцениваемой величине.
Эффективная оценка – оценка, которая имеет наименьшую дисперсию.
Перечисленным требованиям удовлетворяет среднее арифметическое x результатов n наблюдений. Таким образом, результат отдельного измерения является случайной величиной.
Точность измерений – близость результатов измерений к истинному значению измеряемой величины. Если систематические составляющие погрешности исключены, то точность результата измерений х характеризуется степенью рассеяния его значения, т. е. дисперсией.
Правильность измеренияопределяется близостью к нулю систематической погрешности.
Достоверность измеренийзависит от степени доверия к результату и характеризуется вероятностью того, что истинное значение измеряемой величины лежит в указанных окрестностях действительного. Эти вероятности называют доверительными вероятностями, а границы (окрестности) – доверительными границами, т. е. достоверность измерения – это близость к нулю случайной (или неисключенной) систематической погрешности.
Для количественной оценки качества измеренийрассматривают влияние параметров измерений на погрешность их результатов. При планировании измерений и оценке их результатов задаются определенной моделью погрешностей: предполагают наличие тех или иных составляющих погрешности, закон их распределения, корреляционные связи и др.
Наряду с такими показателями, как точность, достоверность и правильность, качество измерительных операций характеризуется также сходимостью ивоспроизводимостью результатов. Эти показатели наиболее распространены при оценке качества испытаний и характеризуют точность испытаний.
Два испытания одного и того же объекта одинаковым методом не дают идентичных результатов. Объективной мерой их могут служить статистически обоснованные оценки ожидаемой близости двух или более числа результатов, полученных при строгом соблюдении методики испытаний.
Сходимость – это близость результатов двух испытаний, полученных одним методом, на идентичных установках, в одной лаборатории.
Воспроизводимость отличается от сходимости тем, что оба результата должны быть получены в разных лабораториях.
Источник
§ 7. Качество измерений и способы его достижения
Процесс измерения неизбежно сопровождается ошибками, ко — торые вызываются несовершенством измерительных средств, не — стабильностью условий проведения измерений, несовершенством самого метода и методики измерений, недостаточным опытом и не — совершенством органов чувств человека, выполняющего измерения,
а также другими факторами.
Под качеством измерений понимают совокупность свойств, обусловливающих получение результатов с требуемыми точностны — ми характеристиками, в необходимом виде и в установленные сроки. Качество измерений характеризуется такими показателями, как точ — ность, правильность и достоверность.
При практическом использовании тех или иных измерений важно оценить их точность. Термин « точность измерений », т. е. степень
приближения результатов измерения к некоторому действительному значению, не имеет строгого определения и используется для каче — ственного сравнения измерительных операций. Для количественной
оценки используется понятие «погрешность измерений» (чем меньше погрешность, тем выше точность). Оценка погрешности из — мерений — одно из важных мероприятий по обеспечению единства измерений.
Введение понятия «погрешность» требует определения и четкого разграничения трех понятий:
1) Истинное значение измеряемой физической величины —
это значение, идеальным образом отражающее свойство данного объекта как в количественном, так и в качественном отношении. На практике оно практически всегда неизвестно.
2) Действительное значение измеряемой физической вели —
чины — значение, найденное экспериментально и настолько при — ближающееся к истинному, что для данной цели оно может быть использовано вместо него. Действительное значение может быть по — лучено при помощи рабочих эталонов.
3) Результат измерения — приближенная оценка истинного значения величины, найденная путем измерения (результат, полу — ченный с помощью рабочего средства измерения).
Погрешность результата измерения — это отклонение ре —
зультата измерения от истинного значения измеряемой величины.
По способу выражения различают:
1) Погрешность измерения, выраженную в единицах измеряемой величины, которая называется абсолютной . Она не всегда является информативной. Например, абсолютная погрешность 0,01 мм может быть достаточно большой при измерениях величин в десятые доли миллиметра и малой при измерениях величин, размеры которых пре — вышают несколько метров.
2) Более информативную относительную погрешность , под которой понимают отношение абсолютной погрешности измерения к
ее истинному значению (или математическому ожиданию). Именно относительная погрешность используется для характеристики точ — ности измерения.
3) Приведенную погрешность , представляющую собой отно —
шение абсолютной погрешности к нормирующему значению (посто — янному во всем диапазоне измерений или его части).
В зависимости от характера проявления, причин возник — новения и возможностей устранения различают систематиче —
скую и случайную составляющие погрешности измерений, а также грубые погрешности (промахи).
К систематическим погрешностям относят те, которые при повторных измерениях остаются постоянными или изменяются по какому-либо закону.
Систематические погрешности при измерении одним и тем же методом и одними и теми же измерительными средствами всегда имеют постоянные значения. К причинам, вызывающим их появле — ние, относят:
субъективную составляющую, связанную с индивидуальными особенностями оператора. Как правило, эта погрешность возни — кает из-за ошибок в отсчете показаний (примерно 0,1 деления шкалы) и неопытности оператора. В основном же систематиче — ские погрешности возникают из-за методической и инструмен — тальной составляющих;
методическая составляющая — погрешности метода, или теоретические погрешности, — происходят вследствие ошибок или недостаточной разработанности метода измерений. Сюда же можно отнести неправомерную экстраполяцию свойства, получен — ного в результате единичного измерения, на весь измеряемый объ — ект. Например, принимая решение о годности вала по единичному измерению, можно допустить ошибку, поскольку не учитываются такие погрешности формы, как отклонения от цилиндричности, круглости, профиля продольного сечения и др. Поэтому для ис — ключения такого рода систематических погрешностей в методике измерений рекомендуется проведение измерений в нескольких местах деталей и взаимно-перпендикулярных направлениях.
К погрешностям метода относят также влияние инструмента на свойства объекта (например, значительное измерительное усилие, изменяющее форму тонкостенной детали) или погрешности, связан — ные с чрезмерно грубым округлением результата измерения; инструментальная составляющая. Инструментальные по —
грешности связаны с погрешностями средств измерения, вызван — ными погрешностями изготовления или износом составных ча — стей измерительного средства;
погрешности, вызванные воздействием окружающей среды и условий измерения : температура (например, измерения еще не остывшей детали), вибрации, нежесткость поверхности, на ко — торую установлено измерительное средство, и т. п.
Одним из методов обнаружения систематической погрешности может быть замена средства измерений на аналогичное в случае, если оно предположительно является источником систематической погрешности. Подобным образом можно обнаружить систематиче — скую погрешность, вызванную внешними условиями: например, за — мена поверхности, на которую установлено измерительное средство, на более жесткую.
Появление систематической погрешности можно обнаружить статистически, нанося с заданной периодичностью результаты изме — рений на бумагу с заданными границами (например, предельными размерами). Устойчивое движение результата измерений в сторону одной из границ будет означать появление систематической погреш — ности и необходимости вмешательства в технологический процесс.
Для исключения систематической погрешности в производственных условиях проводят проверку средств измерений, устраняют те причины, которые вызваны воздействиями окружающей среды, сами измерения проводят в строгом соответствии с рекомендуемой методикой, прини — мая в необходимых случаях меры по ее совершенствованию.
Постоянные систематические погрешности не влияют на значе — ния случайных отклонений измерений от средних арифметических, поэтому их сложно обнаружить статистическими методами. Анализ таких погрешностей возможен только на основании априорных зна — ний о погрешностях, получаемых, в частности, при поверке средств измерений. Например, при поверке средств измерений линейных величин измеряемая величина обычно воспроизводится образцовой мерой (концевой мерой длины), действительное значение которой известно. Систематические погрешности приводят к искажению ре — зультатов измерений и потому должны выявляться и учитываться при оценке результатов измерений. Полностью систематическую по — грешность исключить практически невозможно; всегда в процессе измерения остается некая малая величина, называемая неисключен — ной систематической погрешностью. Эта величина учитывается пу — тем внесения поправок.
Разность между средним арифметическим значением результа —
тов измерения и значением меры с точностью, определяемой погреш — ностью при ее аттестации, называется поправкой . Она вносится в
паспорт аттестуемого средства измерения и принимается за искомую систематическую погрешность.
Оставшаяся необнаруженной систематическая составляющая опаснее случайной: если случайная погрешность вызывает вариа — цию (разброс) результатов, то систематическая устойчиво их иска — жает (смещает). В любом случае отсутствие или незначительность (с целью пренебрежения) систематической погрешности нужно до — казать.
В ряде случаев систематическая составляющая может быть ис — ключена за счет устранения источников погрешности до начала из — мерений (профилактика), а в процессе измерений — путем внесения известных поправок в результаты.
Профилактика погрешности — наиболее рациональный спо —
соб ее снижения, заключается в устранении влияния, например, тем — пературы (термостатированием и термоизоляцией), магнитных полей (магнитными экранами), вибраций и т. п. Сюда же относятся регу — лировка, ремонт и поверка СИ.
Исключение постоянных систематических погрешностей в про — цессе измерений осуществляют методом сравнения (замещения, противопоставления), компенсации по знаку (предусматривают два наблюдения, чтобы в результат каждого измерения систематическая погрешность входила с разным знаком), а исключение переменных и прогрессирующих — способами симметричных наблюдений или
наблюдением четное число раз через полупериоды.
Случайные погрешности — это погрешности, принимающие при повторных измерениях различные, независимые по знаку и величине значения, не подчиняющиеся какой-либо закономерно — сти. Причин, вызывающих случайные погрешности, может быть много: например, колебание припуска на обработку, механические свойства материалов, посторонние включения, точность установ — ки деталей на станок, точность средства измерения в заготовке, изменение измерительного усилия крепления детали на станке, силы резания и др.
Как правило, индивидуальное влияние каждой из этих причин на результаты измерения невелико и не поддается оценке, тем более, что, как всякое случайное событие, оно в каждом конкретном случае может произойти или нет.
Для случайных погрешностей характерен ряд условий:
малые по величине случайные погрешности встречаются чаше, чем большие;
отрицательные и положительные относительно средней величи — ны измерений, равные по величине погрешности, встречаются одинаково часто;
для каждого метода измерений есть свой предел, за которым по — грешности практически не встречаются (в противном случае, эта погрешность будет грубым промахом).
Выявление случайных погрешностей особенно необходимо при точных, например, лабораторных измерениях. Для этого использу — ют многократные измерения одной и той же величины, а их резуль — таты обрабатываются методами теории вероятностей и математиче — ской статистики. Это позволяет уточнить результаты выполненных измерений.
Влияние случайных погрешностей выражается в разбросе полу — ченных результатов относительно математического ожидания, поэто — му количественно наличие случайных погрешностей хорошо оцени — вается среднеквадратическим отклонением (СКО).
Случайные погрешности измерения, не изменяя точности ре — зультата измерений, тем не менее, оказывают влияние на его до — стоверность.
При этом дисперсия среднего арифметического ряда измерений всегда имеет меньшую погрешность, чем погрешность каждого опре — деленного измерения. Если необходимо повысить точность резуль — тата (при исключенной систематической погрешности) в 2 раза, то
количество измерений надо увеличить в 4 раза.
Грубые погрешности ( промахи ) — это погрешности, не харак —
терные для технологического процесса или результата, приводящие к явным искажениям результатов измерения. Наиболее часто они допускаются неквалифицированным персоналом при неправильном обращении со средством измерения, неверном отсчете показаний, ошибках при записи или вследствие внезапно возникшей посторон — ней причины при реализации технологических процессов обработки деталей. Они сразу видны среди полученных результатов, т. к. из — влеченные значения отличаются от остальных значений совокуп — ности измерений.
Если в процессе измерений удается найти причины, вызываю — щие существенные отличия, и после устранения этих причин по — вторные измерения не подтверждают подобных отличий, то такие измерения могут быть исключены из рассмотрения. Но необдуман —
Источник
Измерение качества
найти еще статьи по теме:
