METROLOGIA

Gałęź wiedzy i działalności człowieka obejmująca wszystko, co jest związane z pomiarami.

Metrologia jest wiedzą stworzoną przez człowieka, w celu wartościowania występujących w świecie zjawisk i ułatwienia, wręcz umożliwiania praktycznej działalności w różnych dziedzinach. Obejmuje wszystkie dziedziny życia.

Metrologia jest jedną z niewielu dyscyplin działalności ludzkiej, która z założenia bada błędy swoich działań, przede wszystkim mierzenia, przetwarzania, odtwarzania, wzorcowania itp. Panuje wśród metrologów zgoda, co do tego, że nieodłącznym składnikiem pomiaru jest ocena jego błędu, gdyż pomiary mimo wzrastającej dokładności były, będą i są obarczane błędami.

Istotą metrologii jest, więc to, że błąd (niepewność) pomiaru musi być zawsze szacowany ilościowo i podany wraz z wynikiem pomiaru.

Sam wynik pomiaru bez oszacowania błędu nie ma żadnej wartości, ani praktycznej, ani teoretycznej.

RZECZYWISTOŚĆ I ABSTRAKCJA W METROLOGI

W swojej działalności człowiek posługuje się trzema tworzywami: materia, energia, informacja.

Świadome użycie energii pozwala przekształcić człowiekowi świat, według jego potrzeb i upodobań. Informacja obejmuje także zjawiska, które pozwalają człowiekowi utworzyć w swej świadomości abstrakcyjny obraz rzeczywistego stanu materii lub stanu energii.

Ten subiektywny w swej istocie obraz wytwarza wrażenia i odczucie docierające do świadomości człowieka za pomocą zmysłów, a umiejętność uporządkowania tych wrażeń, kojarzenia przyczyn i skutków zachodzących zmian pozwalają człowiekowi prawidłowo reagować na istniejący świat.

Informacja jest zdobywana w wyniku obserwacji (zamierzonej lub niezamierzonej), przekazywana, przechowywana, przetwarzana dzięki rozmaitym urządzeniom technicznym zwielokrotniającym możliwości zmysłów i rozum człowieka.

Wydobywanie informacji o rzeczywistych stanach materii i stanach energii, w celu stworzenia abstrakcyjnego formalnego i logicznego obrazu zjawiska to zadanie metrologii. Zaś czynność przyporządkowania badanemu zjawisku fizycznemu elementów zbioru z obrazów zjawiska nazywa się pomiarem

W metrologii obraz zjawiska powinien mieć charakter formalny i logiczny, co jest podyktowane wymogiem ścisłości i obiektywności wrażeń niezależnie od obserwatora.

Aby wykonać pomiary należy ustalić zasady tworzenia obrazów w rzeczywistości fizycznej, obrazów, którymi posługujemy się w dziedzinie abstrakcji:

1. obrazami przedmiotów rzeczywistych lub zjawisk są ich nazwy, zwykle z określeniem lokalizacji i czasu

2. obiektami pomiarów są cechy przedmiotów lub zjawisk takich jak: wymiar, twardość, temperatura, natężenie przepływu

3. obrazami tych cech (wielkości) są ich nazwy.

Zachowanie ścisłości i obiektywności osiąga się przez stosowanie matematyki, stąd obrazy zjawisk fizycznych nazywa się modelami matematycznymi.

POJĘCIA PODSTAWOWE

Informacja jest to taki kwant wielkości, który jest zdolny wywrzeć pożądany wpływ na określone zjawiska. Zjawiskiem tym może być człowiek odbierający informacje, inny organizm żywy lub urządzenie działające według ustalonej zależności. Pojęcie informacji nabiera sensu wówczas, gdy istnieją co najmniej dwa stany wielkości, gdyż pożądany wpływ wywrzeć może jedynie zmiana stanu z jednego na drugi. Pozostawienie w tym stanie nie może wywierać, jakiegokolwiek wpływu.

Im więcej stanów może dana wielkość przyjmować, tym wywieranie wpływu jest bardziej różnorodne, tym większa jest ilość informacji. Z tego wynika, że miarą informacji jest liczba stanów, które wielkość będąca źródłem lub nośnikiem informacji może przyjmować.

Zawartość informacji w zbiorze wielkości nie zależy od liczby zbioru. Kryterium oceny zawartości informacji jest oderwane od tej własności zbioru czyli liczby elementów zbioru.

Uogólnienie wielu obserwacji różnych zjawisk prowadzi do następujących stwierdzeń:

1. w zbiorze wielkości skończonym lub nieskończonym zawartość informacji jest skrócona

2. informacja ma z natury charakter kwantowy

3. do ustalenia zawartości informacji w zbiorze wielkości stosuje się kryterium racjonalne, które określa cel wykorzystania informacji.

Obserwacja może być jakościowa i ilościowa.

Informacje o rzeczach martwych zdobywamy za pomocą obserwacji.

Obserwacje jakościowe pozwalają tylko na uszeregowanie zjawisk według cech charakterystycznych np. według masy, barwy lub według kierunku zmian. (według własnych upodobań). W wielu przypadkach obserwacja jakościowa jest obserwacją niepełną, nie mogąca zadowolić obserwatora pod kątem jej wykorzystania praktycznego.

Uzupełni tę informację obserwacja ilościowa dostarczająca danych ilościowych wyrażonych liczbami. Dane te mówią o stanie badanym lub obserwowanym wielkości wyrażając stosunek ilości pewnej cechy obserwowanego obiektu do innej wielkości możliwie niezmiennej o stałych właściwościach przyjmowanej jako wzorzec.

Zespół czynności związanych z ilościowym porównaniem własności obserwowanego ciała, zjawiska lub procesu do wzorca nazywa pomiarem.

Pomiar- czynności doświadczalne mające na celu wyznaczanie wartości wielkości.

W pomiarze biorą udział dwa zbiory wielkości. Zbiór-X, wielkość-x(wielkość mierzona) oraz zbiór W- wielkości znane, oraz w-którego elementy są uporządkowane według wartości i oznaczone wskaźnikiem „i”.

Wielkość mierzona X stanowi skończony lub nieskończony zbiór ograniczony od góry i od dołu np. temperatura.

Zbiór W jest zbiorem skończonym tzn. że kolejne elementy w_i, w_i+1 różnią się między sobą o wartość
dla i od 1 do n.
jest dodatni, nie może być mniejszy równy 0.

Zbiór W utworzony jest przez wielkość wzorcową odtwarzaną w procesie pomiaru przez przyrząd pomiarowy. (wynikiem nie jest konkretna liczba tylko x jest zawarta między
. Ponieważ zbiór W jest zbiorem dyskretnym przyporządkowanie elementowi x ze zbioru X elementu ze zbiory W nie może być jednoznaczne. Wynikiem przyporządkowania jest nierówność
. Mogą istnieć zbiory W tej samej wielkości o różnych wielkościach
ale nie istnieje zbiór o wielkości
>0. Założenie, że
jest dodatnie jest podstawowym produktem w metrologii. Zasadniczą przyczyną wprowadzenia tego postulatu jest ograniczona doskonałość naszych zmysłów i narzędzi pomiarowych stosowanych w czasie pomiaru.

Pomiar- jest to proces poznawczy polegający na porównaniu z odpowiednią dokładnością wartości wielkości mierzonej z pewną jej wartością reprezentowaną przez wzprzec przyjętą za jednostkę miary.

Wielkość- to każda właściwość (cecha) ciała lub zjawiska, którą można określić tylko jakościowo i zwana jest wielkością niemianowaną lub jakościowo i ilościowo, jest to wielkość dająca się zmierzyć, mierzalna.

Wielkości mierzalne można klasyfikować według różnych kryteriów, np. ze względu na strukturę: wielkości ciągłe i wielkości dyskretne. Można wyróżnić wielkości: aktywne i pasywne.

Spośród ogromnej liczby wielkości można wyróżnić wielkości fizykalne. Definicja wielkości fizykalnej nie określa miejsca, czasu i warunków występowania zjawiska, lecz charakteryzuje w sposób ogólny własności lub stan lub oddziaływanie zjawiska na materię np. temp.

Przedmiotem pomiaru mogą być wyłącznie wielkości szczegółowe (w określonym miejscu, czasie i warunkach występowania).

Wartość wielkości- jest to wielkość wyrażana iloczynem liczby i jednostką miary (np. 2m, 5°C,...)
i-liczba, j-jednostka miary

Wartość wielkości rzeczywista- jest to wartość charakteryzująca wielkość określoną jednoznacznie w warunkach istniejących w chwili, w której wartość ta jest badana. Rzeczywista wartość wielkości jest pojęciem abstrakcyjnym i praktycznie nigdy nie jest znana.

Wartość wielkości poprawna- jest to wielkość, którą uważa się w takim stopniu przybliżoną do wartości rzeczywistej tej wielkości, że różnica między tymi wartościami może być pominięta z punktu widzenia celu, do którego wartość przybliżona jest potrzebna.

Wartość wielkości zaobserwowana- jest to wielkość określana na podstawie pomiaru dokładnego z ustaloną niedokładnością pomiaru 2ε.

Wartość wielkości nominalna (teoretyczna)- jest to wielkość występująca w różnych aspektach. Wartość podana w specyfikacji (ciała, zjawiska wyrobu itp.)

Układ wielkości. Pewne spośród ogółu wielkości (konkretnie 7 z nich) przyjmowane są umownie za wielkości podstawowe.

Wielkości podstawowe	Wielkości uzupełniające
Droga 1m	Kąt płaski 1rad
Masa 1kg	Kąt bryłowy 1sr
Czas 1s	Ukł wielkości pochodnych
Temp termodynamiczna 1K	Częstotliwość 1Hz
Prąd elektryczny 1A	Siła 1N
Światłość 1cd
Liczba materii 1mol

Wybór wielkości podstawowych uwzględnia:

1. warunek wzajemnej niezależności

2. możliwość odtworzenia ich jednostek z miary z najwyższą dokładnością

Układ wielkości- jest to uporządkowany zbiór wielkości mierzalnych występujących we wszystkich dziedzinach wiedzy lub tylko jednej z nich.

Jednostka miary-jest to wartość danej wielkości, której wartość liczbową wyznaczoną z dostateczną dokładnością umownie przyjętą równą jedność (1).

Jednostka miary jest zdefiniowana, która jest niezbędna do stworzenia wzorca danej jednostki.

W trakcie rozwoju społeczeństw oraz związanej z tym udoskonalenie pomiaru wprowadzono wiele jednostek układów. Większość z używanych układów miała wady. WWyrażanie różnych wielkości w tych samych jednostkach, konieczność stosowania współczynników wyliczeniowych.

Powszechnie stosuje się międzynarodowy układ tzw. układ SI.

Międzynarodowy układ jednostek SI

W 1875r 17 państw podpisało międzynarodową konwencję metryczną, która stała się podstawą do zbudowania międzynarodowego układu SI. Polska przystąpiła w 1925r.

Układ SI został przyjęty przez XI generalną konferencję miar w 1960r.

1966r. Układ SI legalny w Polsce ustanowione przez Radę Ministrów.

1976r. jedyny legalny układ jednostek miar w Polsce.

Obowiązujące obecnie ustalenia w tym zakresie zawarte są w zarządzeniu nr 4 prezesa głównego urzędu miar z dn. 17.01.1994r.

Sposoby definiowania jednostek miar

Aby przyjęte jednostki miar miały zastosowanie praktyczne tzn. aby zapewniły jednakowe wyniki pomiarów (z dopuszczalna niedokładnością) wartości tych jednostek muszą być tak zdefiniowane, aby jednostki można było odtworzyć w postaci wzorców.

Najprostszym historycznym sposobem zdefiniowania i odtworzenia jednostki mary jest użycie ETALONU.

Etalon może w różny sposób wiązać się z jednostką miary. Może zachowywać, realizować, określać lub odtwarzać jednostkę miary pewnej wielkości podstawowej lub pochodnej.

Etalon podstawowy o najwyższych własnościach = świadek.

Z etalonem podstawowym porównuje się etalon pierwszego stopnia, a z nimi z kolei porównuje się etalony wtórne.

Alternatywny sposobem zdefiniowania jest metoda etalonowa polegająca na zastosowaniu pewnych stałych fizycznych i procedur.

Aby przeanalizować metodę etalonową należy zbudować potrzebną aparaturę, a takie urządzenie często skomplikowane powinno być zmodernizowane w miarę postępu nauki i techniki pomiarowej. W ten sposób metoda ta może być w przyszłości realizowana z coraz mniejszym błędem. ±0,00000013mm ->0,13*10^-9

Przy współczesnym rozwoju metrologii metoda etalonowa zapewnia na ogół mniejszy błąd odtwarzania jednostki miar niż etalon podstawowy. W każdym przypadku musi być zapewniona spójność pomiarowa pomiaru, czyli możliwość prześledzenia pewnego możliwego ciągu porównań od użytkownika urządzenia pomiarowego przez etanol o wyższych właściwościach etalonu podstawowego, aż do unikalnego lub aparatury.

Obecnie obowiązuje ustalenie norm definicji i oznaczeń legalnych jednostek miar są zawarte w zarządzeniu nr 4 prezesa Głównego Urzędu Miar z dn 17.01.1994. Według tego zarządzenia SI są następujące jednostki miar:

1. jednostki podstawowe np. długość, masa prąd, itp. (7)

2. jednostki uzupełniające SI np. kąt płaski (2)

3. jednostki pochodne SI -wyrażone są za pomocą iloczynu lub ilorazów jednostek SI podstawowych i uzupełniających, wśród których można wyróżnić:

1. jednostki pochodne o nazwach specjalnych nadanych przez generalną np. Newton, Pascal, Wat, itp. (13)

2. jednostki pochodne wybranych wielkości, których nazwy wyrażone są za pomocą jednostek SI podstawowych, uzupełniających oraz pochodnych o nazwach specjalnych. Tablica która je przedstawia wybrano np.
   itp. (75)

Zarządzenie nr 4 podaje także nazwy, definicje i oznaczenia jednostek nie należących do układu SI dopuszczonych do stosowania w drodze Rozporządzenia Rady Ministrów.

4. jednostki z poza układu SI (53)

1. wielko krotność miar (j.m.*10^x)

2. pod wielo krotność (j.m.*10^-x)
   - decy,
   - mikrometr.... x=1-24

PODSTAWOWE ZADANIA METROLOGICZNE

Zadania naukowe: ustalenie podstawowych pojęć, technologii, opracowanie podstaw teorii mierzenia, opracowanie zasad budowy narzędzi pomiarowych, opracowanie kryteriów oceny, nieprawidłowości wyników pomiaru.

Zadania urzędowo-prawne: zabezpieczenie jednolitości miar w nauce, technice i gospodarce, wprowadzenie i przestrzeganie legalnego układu jednostek miar.

Zadania wynikające z udziału w procesach produkcyjnych: powielanie pomiarów z kontrolą jakości i sterowaniem jakością, opracowanie programów okresowych sprawozdań narzędzi pomiarowych.

Zadania podstawowe: rozumiemy przez to zadania, których celem jest przygotowanie aparatury pomiarowej do pomiaru a także zadania realizowane w procesie wytwarzania przyrządów pomiarowych i użytkownika.

Podstawowymi zadaniami metrologii są:

1. wzorcowanie

2. legalizacja

3. badania własności metrologicznych:

1. sprawdzenie

2. sprawdzenie wyrobu

3. sprawdzenie typu

4. sprawdzenie specjalne

4. pomiary własności rozmaitych obiektów i zjawisk

Wzorcowanie przyrządu pomiarowego jest to na ogół czynności mających na celu ustalenie i utrwalenie tzw. odpowiedniości pomiędzy miarą wielkości, a wskazaniem przyrządu pomiarowego. Miara wielkości odtworzona jest w procesie wzorcowania przez wzorzec danej wielkości lub przez przyrząd wzorcowy. Istotne jest aby zakończyć wzorcowanie dowodem (a tym dowodem, że wzorcowanie przeprowadzono i że sposób i czynności były prawidłowe jest protokół wzorcowania, który oprócz czynników powinien zawierać dane o przyrządzie wzorcowanym, wzoru, stanowisku wzorcowania, warunkach i czynnościach.

Legalizacja przyrządu pomiarowego to ogół czynności urzędowych mających na celu sprawdzenie zgodności przyrządu pomiarowego z wymaganiami przepisów legalizacji i udokumentowanie tej zgodności do postanowień tych procesów. Legalizacja jest urzędowym poręczeniem prawidłowego stanu technicznego i prawidłowego wzorcowania urządzenia pomiarowego. Jest to akt prawny.

Badania własności metrologicznych sprawdzeniu podaje się wszystkie przyrządy pomiarowe co pewien czas i najczęściej co 6 miesięcy i jest to nazywane sprawdzeniem okresowym lub częściej, gdy istnieje podejrzenie, że wskazania przyrządu są obarczane błędem, określone przez jego klasę nieprawidłowości. Zadanie te ma typowy przebieg dla wszystkich przyrządów i może być przeprowadzone przez porównanie wskazań ze wzorcem.

Przebieg zadania pomiarowego (etapy):

1. ustalenie założeń

2. wykonywanie zadania (pomiary)

3. opracowanie wyników

4. utrwalenie wyników zadania

Ustalenie założenia: stanowią sformułowanie celu zadania, określenie warunków, środków i metody realizacji zadania, kryteriów oceny wyników oraz sposobów utrwalenia wyników zadania. Są one dokumentem, którym zainteresowane strony uzgadniają swoje stanowiska, aby później na tej podstawie rozliczyć efekty techniczne i ekonomiczne.

Wykonanie zadania: realizacja zadania powinna przebiegać zgodnie z założeniem, bez zastrzeżeń ani zwężania zakresu zadania. Wszelkie niezbędne wynikłe z realizacji zadania odstępstwa od założeń powinny najpierw doprowadzić do zmiany założeń (aneks), a dopiero potem do zmian toku realizacji zadania. Po przygotowaniu i inwentaryzacji stanowiska realizacja zadania rozpoczyna się od opisu stanu technicznego badanego przedmiotu procesu oraz opisu stanu stanowiska pomiarowego. Następnie kontroluje się warunki czy są zgodne z założeniami: Na bieżąco prowadzi się protokół z realizacji zadania, oprócz wyników pomiarów należy notować przebieg wszystkich czynności mających wpływ na czynniki pomiarów. Bardzo pożyteczne jest równoczesne z pomiarami opracowanie wyników pomiarów w celu kontroli ich jakości. Protokół pisany przez osobę wykonującą zadanie jest dokumentem, którego treści nie można zmieniać lub kwestionować, gdyż zamiera stwierdzenie faktów już zaistniałych, protokół w oryginale pozostaje załącznikiem sprawozdań lub stanowi końcowy dokument po wpisaniu wniosków.

Opracowanie wyników pomiarów: wykonywanie jest bądź w protokole, bądź w sprawozdaniu zadania. Oprócz opracowania matematycznego sprawozdanie powinni zawierać wyczerpanie wszystkich postulatów założeń, przy czym syntetyczny wynik realizacji celów założeń podaje się w postaci wniosków.

Utrwalanie wyników zadania: ma rozmaitą postać np. protokół badania, atest, decyzja kontroli jakości, tablica poprawek, zlecenie naprawy itd. Wynik utrwalany jest dowodem zakończenia zadania.

SPOSOBY (METODY) POMIAROWE:

Pojęcie metody pomiarowej- pod tym pojęciem rozumie się specyficzny zespół czynności wykonywanych podczas wykonywania pomiarów. Nie ma metod optymalnych pod wszystkimi względami, są tylko metody dostosowane do mierzenia wielkości określonej grupy, czy też warunków ich występowania itp.

KLASYFIKACJA METOD POMIAROWYCH

Kryterium Metoda pomiarowa

Ze względu na Bezpośrednia pośrednia złożona

sposób uzupełniania

wyników pomiarów

podstawowa

ze względu na sposób bezpośrednie różnicowa zerowa

porównania wielkości porównanie

mierzonej z wzorem karparycyjna

korncydecyjna

podstawieniowa

Bezpośrednia-jest to metoda w której punktowana wartość wielkości określa się wprost w procesie pomiaru oraz przez odczytanie tej wartości z przyrządu pomiarowego.

Pośrednia- jest to metoda w której poszukiwana wartość wielkości y znajduje się na podstawie pomiarów bezpośrednich innych wielkości, których wyniki są związane z wielkością poszukiwaną przez określona zależność.

Złożona- jest to metoda w której poszukiwane wartości wielkości y oraz wielkości x wyznaczone bezpośrednio z pomiaru są ze sobą związane układem równań.

Metoda bezpośredniego porównania polega na porównaniu całkowitej wartości wielkości mierzonej z wartością znanej tej samej wielkości, która w postaci wzorca wchodzi bezpośrednio do pomiaru. Cechy:

1. wzorzec w jest wzorem wielomiarowym (lub komplet wzorców jednomiarowych)

2. wzorzec w jest równy bądź większy (w ≥ x) od wartości mierzonej.

3. Przyrząd pomiarowy ma w swoim zakresie pomiarowych wartość zerową wielkości mierzonej.

Zastosowanie: Najprostsza metoda pomiarowa, środki techniczne są najmniej skomplikowane, metoda najczęściej stosowana. Cena przyrządów pomiarowych nie jest wysoka.

Wady: Wadą metody jest stosunkowo niska doskonałość przyrządów pomiarowych stąd zastosowanie metody głownie do pomiarów technicznych.

Metoda pomiarowa różnicowa: polega na odjęciu od wielkości mierzonej x znanej, niewiele różniącej się wartości x_p (wielkość porównawcza) i pomiarze metodą bezpośredniego porównania (wychyleniową) niewielkiej różnicy v=x- x_p Jako wynik wskazany przyrządu odczytuje się wartość v.

Procedura pomiarowa:

1. zbudować przyrząd pomiarowy

2. zmierzyć acentacyjnie wymiar normalny D i dodać znaną wartość x_p bliską wartości D

3. ustawić wskazanie zerowe czujnika α=0 dla x_p =w

4. usunąć wzorzec x_p i przedstawić wymiar mierzony D. Odczytać wskazanie α wraz ze znakiem.

5. Wyliczyć wartość x= x_p +(± α)

Cechy charakterystyczne: Przyrząd pomiarowy charakteryzuje:

1) źródło integralne lub niezależne wielkości porównawczej x_p

2) układ różnicowy wykonujący matematyczną operację odejmowania v=x- x_p

miernik wychyłowy lub cyfrowy (czujnik) wielkości v=x- x_p z własnym wzorem

przyrządy czujnikowe są bardziej złożone, jednak dokładność pomiaru jest większa, większe wzmocnienie przy mniejszym zakresie pomiarowym.

Działka elementarna	Zakres pomiarowy
0,01um	10mm
0,001um	1mm
0,0001um	0,1mm

Metoda jest stosowana do dokładniejszych pomiarów.

Metoda pomiarowa zerowa: jest to metoda pomiarowa, w której różnicę dwóch wielkości mierzonych x i znanej W doprowadza się do zera. Miarą wielkości X jest miara wielkości w. x-w=0 wtedy x=w

Czynności badania różnicy i sprowadzenia jej do zera zwane równoważeniem są realizowane przez dwa elementy funkcjonalne przyrządu -depilator i urządzenie równoważące.

Detektorem jest taki element lub zespół elementów, który po doprowadzeniu doń różnicy x-w zdolny jest sterować procesem równoważenia przyrządu pomiarowego.

Różnica x-w może przyjmować dowolne różnice wartości. Interesują nas dwa stany:

1. x-w=0 wtedy x=w

2. x-w≠0

Cechy tej metody:

1. budowa przyrządu zawiera detektor i urządzenie równoważące

2. specyficzny sposób wykonywania pomiaru polegający na ręcznym lub automatycznym równoważeniu przyrządu

3. dokładność metody zależy od dokładności wzorca w oraz progu nieczułości detektora. Nieczułość można zmniejszyć do wymaganych granic tak więc dokładności pomiaru zależy od dokładności wzorca.

Równanie pomiaru:

Metoda bezpośrednia x=α

Metoda różnicowa x= x_p + (± α)

Metoda zerowa x-w ≤ ΔD

---