Metrologia i spójność pomiarowa

Metrologia i spójność pomiarowa

Jak zapewnić spójność pomiarową w laboratorium akredytowanym?

Celem artykułu jest zapoznanie z pojęciem pomiaru, uświadomienie roli metrologii i pomiarów we współczesnym świecie, zapoznanie z modelem procesu pomiarowego, poznanie przyjętego systemu miar i ich wzorców.

 

Metrologia

Metrologia to nauka o pomiarach. Słowo pochodzi od metron – miara,  i logos – słowo, nauka. Metrologia obejmuje wszystkie teoretyczne i praktyczne problemy związane z pomiarami, niezależnie od rodzaju wielkości mierzonej i dokładności pomiaru. W zakres metrologii wchodzą zagadnienia dotyczące jednostek miar oraz ich etalonów, pomiarów, narzędzi pomiarowych oraz cech obserwatorów. Metrologia obejmuje również wyznaczanie stałych fizycznych oraz określanie właściwości materiałów i tworzyw.

Metrologia ogólna – zajmuje się wspólnymi problemami wszystkich zagadnień metrologicznych, niezależnie od rodzaju wielkości mierzonej (np. ogólne zagadnienia teoretyczne i praktyczne dotyczące jednostek miar, błędów pomiarów, właściwości metrologicznych narzędzi pomiarowych).

Metrologia stosowana – odnosi się do określonego rodzaju wielkości mierzonej (np. metrologię długości, czasu, masy, temperatury) lub obejmuje pomiary w określonych dziedzinach nauki i techniki (m.in. metrologia przemysłowa, techniczna, warsztatowa, medyczna, sportowa).

Metrologia teoretyczna – zajmującą się teoretycznymi zagadnieniami pomiarów (np. ogólną teorią pomiarów, teorią wielkości oraz jednostek miar, błędów pomiarów, przetwarzaniem oraz przekazywaniem informacji pomiarowej).

Metrologia prawna – formułuje urzędowo obowiązujące wymagania techniczne i prawne, mające na celu zapewnienie jednolitości jednostek miar, bezpieczeństwa i należytej dokładności pomiarów. Zagadnieniami metrologii w Polsce zajmuje się Główny Urząd Miar (metrologia prawna) oraz wyspecjalizowane katedry wyższych uczelni, instytuty naukowo-badawcze. Najważniejsze międzynarodowe organizacje zajmujące się metrologią to organy Konwencji Metrycznej oraz Międzynarodowa Organizacja Metrologii Prawnej (OIML).

Metrologia pozwala na poznanie nowych i weryfikację znanych praw fizycznych – przyjmowane hipotezy mogą być weryfikowane tylko z wykorzystaniem pomiarów najwyższej dokładności. Metrologia jest podstawową częścią infrastruktury dzisiejszego świata – ekonomiczny sukces większości przemysłów wytwórczych jest bezpośrednio zależny od jakości wytworzonych produktów i metrologia spełnia w nim bardzo ważną rolę, gdyż pozwala na dokładne wyznaczanie wielkości mierzonych. Konieczność otrzymywania poprawnych wyników, które można powiązać z jednostkami SI, kluczowe jest również w takich dziedzinach jak diagnostyka medyczna, bezpieczeństwo żywności, ochrona środowiska.

 

Powiązane definicje metrologiczne

Pomiar to doświadczalne porównanie określonej wielkości mierzalnej z wzorcem tej wielkości przyjętym umownie za jednostkę miary, którego wynikiem jest przyporządkowanie wartości liczbowej mówiącej ile razy wielkość mierzona jest większa lub mniejsza od wzorca.

Technika pomiarów to sposób wykonania pomiarów, a w tym użyta aparatura badawcza i narzędzia pomiarowe (zwłaszcza ich niedokładność) (np. technika pomiaru zakłóceń, technika pomiaru ścieków, technika pomiarów ciała ludzkiego, technika pomiaru tętna itp.).

Obserwacja to proces przyjmowania przez obserwatora sygnałów uzyskiwanych ze źródła obserwowanego zjawiska i przyporządkowanie wrażeń występujących w świadomości człowieka zjawiskom fizycznym powodowanym przez rzeczy i istoty. Obserwacja to bierne przyglądanie się przebiegowi zjawisk, natomiast eksperyment to procesy odpowiednio przygotowane i kierowane przez uczonych, których zadaniem jest odpowiedź na określone pytania. Wyniki obserwacji są subiektywne, niejednoznaczne, niekompletne, jakościowe, pośrednie.

Wielkość fizyczna to mierzalna właściwość zjawiska lub ciała, którą można wyznaczyć jakościowo i ilościowo. Wielkość taka posiada swoją jednostkę miary.

Jednostka miary jest umownie przyjętą i wyznaczoną z dostateczną dokładnością wartością danej wielkości, która służy do porównania ze sobą innych wartości tej samej wielkości. Zbiór jednostek miar wielkości mierzalnych nosi nazwę układu jednostek miar.

Wzorce są to narzędzia pomiarowe odtwarzające jednostki miary lub ich wielokrotności. Od wzorców wymaga się niezmienności w czasie, dużej dokładności, łatwego odtwarzania i stosowania. Wzorce charakteryzują się takimi parametrami jak: nominalna miara wzorca, niedokładność miary wzorca, okres zachowania niedokładności miary wzorca, warunki, w których miara i dokładność są zachowane. Powyższe dane podaje się bądź bezpośrednio na wzorcu lub w jego metryce.

Narzędzie pomiarowe to środki techniczne przeznaczone do wykonywania pomiarów, obejmujące wzorce miar, przyrządy pomiarowe, przetworniki pomiarowe, układy pomiarowe, systemy pomiarowe; rozróżnia się: n.p. użytkowe — przeznaczone do pomiarów użytkowych (lecz nie do sprawdzania innych narzędzi), np. waga handlowa, licznik energii elektrycznej; n.p. kontrolne (etalon) — przeznaczone do sprawdzania innych n.p., podlegające kontroli organów państwowej służby metrologii prawnej (w Polsce — Głównemu Urzędowi Miar lub podległym mu placówkom); kontrola n.p. obejmuje: badanie typu, legalizację narzędzi pomiarowych lub uwierzytelnienie oraz nadzór metrologiczny (m.in. kontrola napraw i właściwego użytkowania).

Legalizacja narzędzia pomiarowego to czynności wykonywane przez organ państw. służby metrologii prawnej lub przez inny organ do tego upoważniony, polegające na stwierdzeniu i zaświadczeniu, że narzędzie pomiarowe całkowicie spełnia wymagania przepisów legalizacyjnych; obejmuje sprawdzenie i ocechowanie narzędzia pomiarowego lub wydanie świadectwa legalizacyjnego; w Polsce legalizacje narzędzi pomiarowych przeprowadza Główny Urząd Miar (GUM) lub podległe mu placówki, a także instytucje upoważnione przez GUM. Laboratorium musi posiadać sprzęt, w tym sprzęt pomiarowy wymagany dla prawidłowego wykonywania działalności laboratorium. Urządzania stosowane w laboratoriach muszą być zdolne do osiągnięcia wymaganej dokładności pomiaru. W tych przypadkach, gdzie laboratorium musi korzystać z urządzeń poza swoją stałą kontrolą, musi zapewnić, że spełnione są wymagania normy ISO 17025. Laboratorium akredytowane musi posiadać udokumentowane zasady odpowiedniego obchodzenia się ze sprzętem, transportu, przechowywania, stosowania i planowanej konserwacji urządzeń laboratoryjnych. Przed wprowadzeniem do eksploatacji sprzęt (w tym ten, który jest używany do pobierania próbek) sprawdza się celem ustalenia jego charakterystyki, wydajności, zgodności z wymaganiami laboratorium oraz czy jest zgodny z odpowiednimi specyfikacjami. Wszystkie kalibrowane urządzenia pomiarowe pod kontrolą laboratorium muszą być oznakowane, okodowane lub w inny sposób zidentyfikowane tak, aby było umożliwić użytkownikowi jego identyfikację i stan kalibracji. Ewidencja sprzętu laboratoryjnego musi obejmować następujące dane: tożsamość sprzętu i oprogramowania, nazwę producenta, numer identyfikacyjny typu i numer seryjny, wskazanie bieżącej lokalizacji, status kalibracji, wyniki i kopie raportów i certyfikatów kalibracje, korekty, przeprowadzone do tej pory konserwacje, informacje na temat uszkodzeń, awarii, modyfikacji lub napraw. Gdy sprzęt jest uszkodzony, nie może być stosowany do wykonywania pomiarów. Należy go oznakować, aby zapobiec przypadkowemu użyciu, a następnie poddać sprawdzeniom/ naprawić. Gdy pośrednie sprawdzenia są potrzebne do wykazania poprawności działania sprzętu, kontrole te przeprowadza się zgodnie z określoną procedurą. Sprzęt pomiarowy i oprogramowanie zabezpiecza się od regulacji, które mogłyby podważyć wyniki badań. Laboratorium wybiera i używa materiały referencyjne, które nadają się do szczególnych celów w procesie pomiaru. Laboratorium musi stosować materiały referencyjne, które spełniają wymagania techniczne określone w normie ISO 17034.

 

Układ SI (Systeme International)

Układ jednostek miar SI został przyjęty na XI GKM w 1960 roku. System SI został oparty na 7 wielkościach (jednostkach) podstawowych i dwóch jednostkach pomocniczych.

Powiązanie do jednostek SI można osiągnąć poprzez odniesienie do norm krajowych pomiaru lub certyfikowanych materiałów odniesienia. Możliwość śledzenia do jednostek miar SI można osiągnąć poprzez odniesienie do odpowiedniego poziomu podstawowego (ISO Guide 99/VIM) lub poprzez odniesienie do stałych naturalnych, których wartość w odpowiednich jednostkach SI jest znana i zalecana przez CGPM lub CIPM. Laboratorium może zachować spójność wdrażając program skutecznej kalibracji. Program kalibracji powinny obejmować okresy ustalonej kalibracji, a także uczestnictwa w odpowiednich porównaniach międzylaboratoryjnych. Odstępy kalibracji powinny być silnie uzależnione od stabilności oraz użycia sprzętu. Istnieje wiele poradników ułatwiających laboratoriom określenie odpowiedniego interwału dla każdego instrumentu i standardu. Uczestnictwo w porównaniach międzylaboratoryjnych, wykonywanie sprawdzeń w ramach programu sterowania jakością badań, może pomóc w zoptymalizowaniu częstotliwości prowadzonych kalibracji. Więcej na temat wymagań stawianych porównaniom międzylaboratoryjnych można znaleźć w ISO/IEC 17043. Istnieją pewne pomiary, które nie mogą być ściśle wykonane w jednostkach SI. W tych przypadkach laboratoria wykorzystują materiały dostarczone przez dostawcę, wyniki pomiaru materiału odniesienia są wyraźnie opisywane i uzgadniane przez wszystkich zainteresowane strony. Standardy pomiaru odniesienia powinny być kalibrowane i powiązane z jednostkami SI.

Jednostki podstawowe układu SI

Długość, jednostka: metr m

Metr jest to długość drogi przebytej w próżni przez światło w czasie 1/299 792 458 sekundy.

Masa, jednostka: kilogram kg

Kilogram jest to masa międzynarodowego wzorca jednostki masy przechowywanego w Międzynarodowym Biurze Miar w Sévres.

Czas, jednostka: sekunda s

Sekunda jest to czas równy 9 192 631 770 okresów promieniowania odpowiadającego przejściu między dwoma nadsubtelnymi poziomami podstawowego stanu atomu cezu 133.

Prąd elektryczny, jednostka: amper A

Amper jest to prąd elektryczny nie zmieniający się, który – płynąc w dwu równoległych prostoliniowych, nieskończenie długich przewodach o przekroju kołowym znikomo małym, umieszczonych w próżni w odległości 1 m jeden od drugiego – wywołałby między tymi przewodami siłę 2*10-7 N na 1 metr długości.

Temperatura, jednostka: kelwin K

Kelwin jest to 1/273,16 część temperatury termodynamicznej punktu potrójnego wody.

Światłość, jednostka: kandela cd

Kandela jest to światłość jaką ma w określonym kierunku źródło emitujące promieniowanie monochromatyczne o częstości 540 1012 Hz i którego natężenie w tym kierunku jest równe 1/583 W/sr (wata na steradian).

Liczność materii, jednostka: mol

Mol jest to liczność materii wyrażona liczbą cząsteczek materii, równą liczbie atomów zawartych w masie 0,012 kg węgla 12.

 

Jednostki pomocnicze układu SI

Kąt płaski – jednostka: radian

Kąt płaski zawarty między promieniami koła, wycinający z jego okręgu łuk o długości równej promieniowi tego koła.

Kąt bryłowy – jednostka: steradian

Kąt bryłowy o wierzchołku w środku kuli wycinający z jej powierzchni część równą powierzchni kwadratu o boku równym promieniowi tej kuli.

 

Skale pomiarowe

Nauki przyrodnicze opisują świat w sposób ilościowy, dlatego muszą one korzystać z metod ilościowego pomiaru badanych parametrów. Pomiar ilościowy wymaga skali, czyli wyróżnionego, ustalonego wzorca, z którym porównuje się wartość mierzonego parametru, otrzymując wynik liczbowy, który można dalej przetwarzać matematycznie, zgodnie z prawami danej teorii. Istnieje kilka rodzajów skal, zależnych od własności mierzonej wielkości.

Używa się 4 rodzajów skal pomiarowych:

Skala nominalna – gdy obiektom przynależącym do tej samej kategorii przypisuje się tę samą liczbę np. płeć, region itp. Liczba przypisana w przypadku tej skali spełnia tylko rolę identyfikatora, informuje o przynależności, np. nie można tych liczb do siebie dodawać, porównywać.

Skala porządkowa (rangowa) – gdy przypisanie obiektom liczb pozwala je uporządkować pod względem nasilenia cechy, np. wszystkich respondentów możemy uporządkować ze względu na wykształcenie (podstawowe, średnie itd.). Na podstawie danych możemy powiedzieć, że ktoś jest bardziej wykształcony od innej osoby, ale już nie możemy powiedzieć o ile, bo skala nie ma stałej jednostki pomiaru. Innymi przykładami skal porządkujących jest skala twardości minerałów, opracowana przez F. Mohsa w 1812 roku (służąca do określania względnej twardości minerałów; wzorcem jest w niej 10 minerałów uporządkowanych wg rosnącej twardości: 1 talk, 2 gips, 3 kalcyt, 4 fluoryt, 5 apatyt, 6 ortoklaz, 7 kwarc, 8 topaz, 9 korund, 10 diament), oraz skala Beauforta (1805).

Skala przedziałowa (interwałowa) – zostaje określona przez wskazanie STAŁEJ jednostki miary i relacji przyporządkowującej każdemu wynikowi obserwacji liczbę określoną z dokładnością do przekształcenia liniowego (y = ax + b), co oznacza, że nie zmieniając relacji między poszczególnymi badanymi obiektami możemy do wszystkich wyników dodawać/odejmować stałą i/lub mnożyć przez stałą np. centymetry możemy zamienić na cale (1 cal = 2.54 cm) albo stopnie Celsjusza na stopnie Fahrenheita (trzeba przemnożyć stopnie Celsjusza przez 1.8, a następnie do wyniku dodać 32).

Skala ilorazowa (stosunkowa) określona zostaje przez wskazanie stałej jednostki miary, istnienie zera bezwzględnego (jednostronnego ograniczenia zakresu skali) oraz wskazanie relacji przyporządkowania każdemu wynikowi obserwacji liczby. Tym, co odróżnia skalę ilorazową od przedziałowej jest istnienie zera bezwzględnego.