Представление о качестве измерений

Оценка уровня качества измерений (как любого технического объекта) является необходимым элементом процесса принятия управляющих решений. Такая оценка особенно нужна при сопоставлении конкурирующих МВИ.

Принципиальная особенность измерений как объекта оценки качества заключается в том, что мы имеем дело с технологическим процессом получения результата исключительно информационного характера. К подобным процессам можно отнести книгопечатание, фотографическую и видеосъемку, театральные и другие представления. Поэтому в оценивании качества технических процессов, направленных на выдачу информационных результатов наблюдается некоторый дуализм, заключающийся в наличии не только информационной, но и технической стороны. Книга с отличным содержанием может быть напечатана слепым шрифтом на плохой бумаге, хорошая музыка нереализуема в помещениях с плохой акустикой и т.д. Дополнительной особенностью измерений как процесса получения и применения информации является различие масштабов их рассмотрения: можно оценивать измерения одной физической величины конкретным оператором или организацию и проведение измерений в рамках субъекта хозяйствования, отдельной страны, или в международных рамках.

Различия в измерениях некоторой физической величины могут заключаться в применяемых средствах, условиях, операторах, числе наблюдений и методиках их обработки. Сложность объекта не избавляет от необходимости оценивать уровень его качества, хотя может привести к появлению ряда более узких задач. В частности, поскольку комплексная оценка качества измерений представляется весьма сложной, можно применять дифференциальные методы оценки с привлечением значительного количества показателей.

Под качеством измерения подразумевается наиболее общее его свойство, которое обеспечивает требования исполнителя и потребителя к результату и процессу его получения. Более простые свойства, из которых складывается качество измерений, можно представить как точность и достоверность результата, а также экономичность и безопасность его получения.

Очевидно, что точность измерений является необходимым условием использования их результатов. Обеспечение точности измерений заключается в установлении требуемого соотношения предельного значения реализуемой в ходе измерений погрешности Δ и допустимой погрешности измерений [Δ]

Δ ≤ [Δ].

Достоверность результата измерений, которая определяет уровень доверия к нему, имеет множество аспектов, в том числе связанных с вероятностным характером измерительной информации, со степенью адекватности отражения результатом исследуемой физической величины и др.

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).

В литературе широко употребляют такие свойства измерений, как точность, правильность, прецизионность, неопределенность, сходимость и воспроизводимость измерений. Кроме того, при рассмотрении измерений в рамках международных или страны (отрасли, концерна…) достаточно внимания уделяют таким свойствам, как единство измерений и единообразие средств измерений.

В РМГ 29 –99 содержится ряд терминов и определений, характеризующих свойства измерений.

Точность результата измерений (точность измерений) – одна из характеристик качества измерения, отражающая близость к нулю погрешности результата измерения.

По ГОСТ 16263-70 точность измерений – качество измерений, отражающее близость их результатов к истинному значению измеряемой величины. Высокая точность измерений соответствует малым погрешностям всех видов (систематических и случайных).

Стандарт (ГОСТ 16263) предлагал также количественную оценку точности в виде обратной величины модуля относительной погрешности, Например, при значении относительной погрешности 0,1 % точность измерений Тч будет равна

Тч = (0,1/100) – 1 = 1000.

Из-за неявного отражения сути эта оценка не прижилась за более чем тридцатилетний срок действия стандарта.

Неопределенность измерений – параметр, связанный с результатом измерений и характеризующий рассеяние значений, которые можно приписать измеряемой величине.

В примечаниях отмечено, что определение взято из Международного словаря основных и общих терминов в метрологии ИСО, 1993 (VIM – 93), но оно неудачно по сути, поскольку традиционно параметром называют некую количественную характеристику свойства, а неопределенность может иметь качественную и количественную стороны. В VIM—93 сказано, что «в качестве параметра» может быть использовано стандартное отклонение (или число, кратное ему) или половина интервала, имеющего указанный доверительный уровень.

Там же говорится, что неопределенность включает множество составляющих. Некоторые из составляющих можно представить эмпирическими стандартными отклонениями, рассчитанными по результатам статистической оценки распределения данных в серии измерений. Другие составляющие могут оцениваться отклонениями, взятыми из информационных источников или рассчитываемыми на основании другой информации.

Из сказанного ясно, что неопределенность измерений может рассматриваться как свойство, характеризующее случайные составляющие измерений, и является составляющей частью более общего свойства – точности измерений.

Сходимость результатов измерений (сходимость измерений) – близость друг к другу результатов измерений одной и той же величины, выполненных повторно одними и теми же средствами, одним и тем же методом в одинаковых условиях и с одинаковой тщательностью.

Примечание — Сходимость измерений двух групп многократных измерений может характеризоваться размахом, средней квадратической или средней арифметической погрешностью.

Высокий уровень сходимости результатов в одной серии, полученной с использованием одной методики выполнения измерений, соответствует малым значениям случайных погрешностей при многократных измерениях. В качестве упрощенной оценки сходимости можно использовать размах результатов измерений в серии.

R = Xmax – Xmin.

Оценкой сходимости двух групп (серий) многократных измерений может быть близость размахов или отклонений (средних квадратических, средних арифметических).

Геометрические представления о размахе R результатов измерений можно получить с использованием точечной диаграммы результатов многократных измерений одной и той же физической величины, которая строится в координатной системе «значения, полученные при измерениях X – номер измерения N» в любом удобном масштабе.

Воспроизводимость результатов измерений (воспроизводимость измерений) – близость результатов измерений одной и той же величины, полученных в разных местах, разными методами, разными средствами, разными операторами, в разное время, но приведенных к одним и тем же условиям измерений (температуре, давлению, влажности и др.).

Воспроизводимость можно оценить, например, после выполнения нескольких серий многократных измерений одной и той же физической величины с использованием разных методик выполнения измерений. В качестве оценок воспроизводимости могут служить разности средних значений в сериях, разности средних квадратических отклонений в сериях, разности экстремальных результатов разных серий и другие оценки.

Единство измерений – состояние измерений, характеризующееся тем, что их результаты выражаются в узаконенных единицах, размеры которых в установленных пределах равны размерам единиц, воспроизводимых первичными эталонами, а погрешности результатов измерений известны и с заданной вероятностью не выходят за установленные пределы.

В ГОСТ 16263-70 единство измерений трактовалось как состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности измерений известны с заданной вероятностью. Там же было определено единообразие средств измерений – состояние средств измерений, характеризующееся тем, что они проградуированы в узаконенных единицах и их метрологические свойства соответствуют нормам. Кроме того, в том же стандарте было приведено определение правильности измерений, которая является существенной характеристикой их качества. Правильность измерений – качество измерений, отражающее близость к нулю систематических погрешностей в их результатах. В приведенном определении не различаются свойства измерений (процесса измерений, измерительной процедуры) и свойства результатов измерений, характеризующие их близость к истинному значению измеряемой физической величины.

Представим свойства, определяющие качество измерений (процесса измерений, измерительной процедуры) в виде иерархической структурной схемы, ограничившись для начала тремя уровнями. Для первого уровня схемы предлагается три блока свойств (рисунок 4.2): «техническая эффективность», «экономичность» и «безопасность». При построении структуры надо учитывать, что абсолютно независимых страт (классификационных групп) не бывает. Так техническое совершенство измерений, как и любого иного объекта, не может быть независимым от экономичности, а безопасность можно рассматривать в двойной связи (и с экономичностью, и с техническими свойствами).

Предложенное разделение свойств объектов основано на том, что проектирование любого процесса направлено на достижение определенной технической цели и только после получения положительного результата ставятся вопросы о снижении затрат и повышении безопасности (если последнее необходимо). Кроме того, экономические расчеты всегда отделяли от «технических», а что касается безопасности, она давно выделилась в некую особую сферу и даже обзавелась собственной системой стандартов.

На третьем иерархическом уровне комплексные свойства второго уровня могут быть разделены на менее сложные свойства. Техническая эффективность измерений может быль декомпонирована на точность и достоверность, экономичность измерений – на себестоимость и производительность, а безопасность – на безопасность оператора и безопасность окружения. Декомпозиция может быть продолжена для получения более простых свойств с конкретными наименованиями, входящих в вышестоящие группы свойств.

 
 

 

 


При анализе экономичности следует рассматривать проектирование МВИ, подготовку и проведение измерений, включая обработку результатов. При анализе безопасности обращают внимание на безопасность оператора, ближайшего и дальнего окружения (включая экологическую безопасность), причем необходимо учитывать как непосредственные опасные воздействия, так и отдаленные последствия в виде слабых, накапливающихся и/или отложенных неблагоприятных результатов.

В настоящее время нет общепринятых подходов к оценке качества измерений. Предложенные материалы (схема, свойства, рекомендации по декомпозиции) подлежат анализу и критике, дальнейшему развитию и совершенствованию, поскольку они не очень удобны для применения в конкретных метрологических ситуациях.

ПРИЛОЖЕНИЕ 4.А

Трактовки ИЗМЕРЕНИЯ в разных информационных источниках

 

В литературных источниках встречается множество определений, в которых весьма разнообразно истолковывается понятие измерения. Ниже приведены некоторые определения измерений, взятые из разных источников. Несущественные различия обусловлены наличием в определениях большей или меньшей детализации при единстве подходов к измерению как к экспериментальному процессу количественной оценки физической величины. Принципиальные различия возникают при попытках распространить понятие измерения на любые оцениваемые величины и свойства, в том числе и нефизические. Определения представлены для расширения кругозора и могут быть использованы для сравнительного анализа

Измерение физической величины –совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины (РМГ 29 -99).

Измерение – нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств (ГОСТ 16263 -70).

Определения не претендуют на слишком широкую область, они отнесены только к измерению физических величин.

Познавательный процесс, заключающийся в сравнении путем физического эксперимента данной величины с известной величиной, принятой за единицу сравнения» (Тюрин).

«Сравнение неизвестного размера с известным и выражение первого через второй в кратном или дольном отношении» (Шишкин, МСиУК).

«Получение информации о размере измеряемой величины» (Шишкин, ТМ).

«Информационный процесс получения опытным путем численного отношения между данной физической величиной и некоторым ее значением, принятым за единицу сравнения» (Алиев, Тер-Хачатуров).

«Приписывании--е различным проявлениям некоторого свойства материальных объектов определенных действительных чисел с целью его познания» (Котов).

«Акт познания, заключающийся в сравнении опытным путем данного размера величины с некоторым ее значением, принятым за единицу измерения, выполнении необходимых логических и вычислительных действий и представлении результата в числовой форме с указанием его точности» (Ехлаков, Маков).

«Совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, заключающихся в сравнении (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей с целью получения значения этой величины (или информации о нем) в форме, наиболее удобной для использования» (Юдин, Селиванов ОТвОМ).

«Получение числового эквивалента (значения) величины, характеризующей свойства физического объекта (предмета, процесса, явления), посредством эксперимента (опытным путем), основу которого составляет операция сравнения аналоговой величины с образцовой (значение меры), удовлетворяющего требованиям системы обеспечения единства измерений». (Определение "близко к приведенному в ГОСТ 16263-70 и ни в чем ему не противоречит" по мнению авторов Журавина, Мариненко, Семенова и Цветкова, под ред. Цветкова).