Metrologia to nauka o pomiarach.

Literatura:
1. Adamczak S., Sender E.: Ćwiczenia laboratoryjne z podstaw metrologii, Wydawnictwo Politechniki świętokrzyskiej, Kielce 1994, wyd III.
2. Adamczak S. , Makieła W.: Metrologia w Budowie Maszyn – Zadania z rozwiązaniami, WNT, wyd. II, Warszawa 2007
3. Jakubiec W., Malinowski J.: Metrologia wielkości geometrycznych. Wyd V, WNT Warszawa 2009
4. Humienny Z.(red).: Specyfikacje geometrii wyrobów (GPS), Podręcznik europejski WNT Warszawa 2004
5. Adamczak S., Makieła W.: Podstawy metrologii i inżynierii jakości dla mechaników – ćwiczenia praktyczne WNT Warszawa 2010
6. Adamczak S., Pomiary geometryczne powierzchni zarysy kształtu falistość i chropowatość, WNT Warszawa 2008

Angielski filozof i matematyk Whitehead powiedział, że celem naukowej myśli jest poznanie tego co ogólnie w szczególnym i tego co trwałe w zmiennym. Nauka zajmuje się więc regularnością natury, która stara się przedstawić w postaci praw przyrody poznanych za pomocą obserwacji i doświadczeń. Prawa przyrody wymagają potwierdzenia przez wynik pomiarów.

1. Przedmiotem metrologii są:
   - jednostki miar i ich etalony (ustalanie, odtwarzanie, konserwacja oraz przekazywanie);
   - pomiary (metody, wykonywanie – procedury, ocena doskonałości, itd. );
   - narzędzia pomiarowe (właściwości badane z punktu widzenia przeznaczenia tych narzędzi)
   - obserwatorzy (ich kwalifikacje odnoszą się do wykonywania pomiarów).

2. Metrologia obejmuje wszystkie zagadnienia zarówno teoretyczne, jak i praktyczne, odnoszące się do pomiarów niezależnie od ich dokładności.

3. Zależnie od rodzaju mierzonej wielkości metrologia dzieli się na metrologię długości, metrologię czasu itd., a zależnie od dziedziny zastosowań na metrologię przemysłową, metrologię techniczną, metrologię astrologiczną, metrologię medyczną itd.

4. Metrologia obejmuje również wyznaczanie stałych fizycznych oraz właściwości materiałów i tworzyw.

Do zadań naukowych należą w szczególności:
- określanie jednostek miar, ustalanie ich wzajemnego powiązania, ustalanie jednostek dla poszczególnych wielkości, wybór jednostek odpowiadających potrzebom nauki, dydaktyki i techniki pomiarowej
- odtwarzanie jednostek miar oraz przekazywanie ich narzędziom pomiarowym dla potrzeb gospodarki narodowej, budowa etalonów i doskonalenia ich celu uzyskania jak największej dokładności, przeprowadzanie badań i porównań tych etolnów/m.in. z etalonami międzynarodowymi

- opracowanie państwowych wzorców materiałów, mających zastosowanie inżynierii materiałowej
- opracowanie nowych metod pomiarów różnych wielkości
- rozszerzanie zakresu pomiarów i podwyższanie ich dokładności
- opracowywanie naukowych podstaw teorii pomiarów i zasad budowy narzędzi pomiarowych
oraz kryteriów dokładności pomiarów
- prowadzenie prac badawczych mających na celu znalezienie nowych dokładniejszych metod realizacji i odtwarzania jednostek miar

Zagadnienia metrologii wynikające z udziału w procesach produkcji przemysłowej:
- udział w ustalaniu własności technicznych i użytkowych surowców i materiałów produkcyjnych
- wykorzystanie metrologii do racjonalnego projektowania wyrobów poprzez wykorzystania systemu tolerancji i pasowań oraz w procesach badań prototypów i serii próbnych
- wykorzystanie metrologii w kontroli przebiegów procesów technologicznych poprzez ich monitorowanie i diagnostykę
- wykorzystanie do optymalnego doboru środków kontroli zmierzających do sprawdzenia poprawności otrzymania wymiarów mieszczących się w polach tolerancji
- opracowanie systemów i przeprowadzenie kontroli użytkowych narzędzi pomiarowych poprzez ich bezpośrednie lub pośrednie porównywanie zalegalizowanymi wzorcami kontrolnymi
- organizacje nowoczesnej kontroli jakości umożliwiającej produkcję wyrobów spełniających wymagania użytkowników
- organizacje instytucji, ośrodków badawczo-rozwojowych oraz laboratoriów pomiarowych nadzorujących stosowanie metrologii w poszczególnych podmiotach gospodarczych
- wspomaganie produkcji aparatury pomiarowej zgodnie z wymogami nowoczesnego przemysłu
- prowadzenie kształcenia kadry technicznej, inżynierów i techników którzy będą wykonywać zadania zgodnie z wymogami współczesnego przemysłu
- organizacja państwowej służby miar w zakresie ustalenia wymogów w obszarze kwalifikacji pracowników, wyposażania laboratoriów pomiarowych

Pojęcia podstawowe

Rozwój metrologii jest ściśle związany z rozwojem fizyki, chemii, matematyki, analizy wymiarowej, teorii wielkości fizycznych i ostatnio cybernetyki i teorii informacji

Wielkość jest abstrakcyjnym uogólnieniem wszystkich wartości tej samej cechy mierzalnej. Wartość wielkości jest więc poszczególną realizacją. Na przykład gdy rozważaną wielkością jest długość jej poszczególnymi wartościami mogą być 1m, 2m itd. Wartości określające konkretne długości ciał stanowiące jedną z charakteryzujących ją.

Wartość wielkości – jest jej poszczególną realizacją.

Wartość rzeczywista wielkości – wg normy PN-71/N-02050 określa się jako wartość istniejącą tej wielkości charakteryzująca ją w warunkach jednoznacznie określonych

Wartość poprawna wielkości – jest wartością w takim stopniu przybliżoną do wartości rzeczywistej, że różnice między tymi wartościami można pominąć.

Skalą pomiarową – w ujęciu ogólnym jest uporządkowany zbiór licz, które podporządkowuje się przedmiotom lub zjawiskom wg umownie przyjętej reguły.

Skalą wielkości – nazywamy uporządkowany według określonego założenia zbiór wartości danej wielkości z ustalonymi punktami odniesienia np. skala gęstości, lepkości, temperatury czy twardości

Parametrem – jest wielkość stała w rozważanym przypadku lecz zmienna w różnych przypadkach

Podział wielkości:
- podstawowe – niezależne, wyjściowe
- pochodne – zależne od podstawowych

Układem wielkości – nazywamy usystematyzowany zespół wielkości podstawowych i zależnych od nich wielkości pochodnych

Bazą układu wielkości – jest zespół wszystkich wielkości podstawowych danego układu

Wymiarem wielkości – jest związek określający daną wielkość za pomocą iloczynu potęg oznaczeń literowych wielkości podstawowych oraz współczynnika proporcjonalności, który zwykle jest równy jedności

Wielkość wpływowa – jest wielkością nie będącą przedmiotem pomiaru jednak wpływającą na jego wynik, np. temperatura przy pomiarach długości

Jakie wielkości są podstawowe:
- długość
- masa
- czas
- prąd
- temperatura
- liczność materii
- światłość

Jednostką miary - nazywamy określoną wartość cechy mierzalnej przyjętą umownie jako wartość odniesienia liczbowo równej jedności

Jednostki wielkości podstawowych - to jednostki podstawowe, a jednostki wielkości pochodnych są jednostkami pochodnych.

Układem jednostek miar jest uporządkowanych zespół niesprzecznych ze sobą jednostek podstawowych i jednostek pochodnych.

Pomiar to zbiór operacji mających na celu wyznaczenie wartości wielkości mierzonej. Pomiar zaczyna się określeniem wielkości mierzonej metody pomiarowej, procedury pomiarowej.

Zasada pomiaru – zjawisko fizyczne, które jest przyjęte jako zasada pomiaru (np. zmiana indukcyjności, spadek ciśnienia)

Procedura pomiarowa – kolejność czynności niezbędnych do wykonania pomiaru

Metoda pomiarowa – jest to sposób porównywania zastosowany w pomiarach

Metody pomiarowe dzielą się na bezpośrednie i pośrednie
Bezpośrednie – gdy na urządzeniu pomiarowym ustalamy wartość wielkości mierzonych np. śruba mikrometryczna, suwmiarka, np. pomiar wysokości i długości
Pośrednie – polegają na wykorzystaniu funkcyjnej zależności między wielkością nas interesującą a innymi wielkościami niezależnymi, które chcemy pomierzyć (np. pomiar pola trójkąta ½ a h – jest to zależność funkcyjna)

Błąd pomiaru jest to niezgodność wyniku pomiaru z wartością wielkości mierzonej, która może równać się w poszczególnych przypadkach:
- rzeczywistej wartości wielkości (na ogół nie znanej)
- wartości poprawnej
- średniej arytmetycznej wyników serii pomiarów

Błąd bezwzględny jest to różnica algebraiczna między wynikiem pomiaru, a wartością wielkości mierzonej:
e=l-x
gdzie:
l – wynik pomiaru,
x – wartość poprawna wielkości mierzonej

Błąd względny jest to iloraz błędu bezwzględnego przez wartość wielkości mierzonej zastosowanej do obliczenia tego błędu bezwzględnego:

E= e/x

Praktycznie błąd względny podaje się w procentach

Parametry rozkładów zmiennych losowych

Parametr rozkładu – stała wielkość charakteryzująca funkcję tego rozkładu. Parametrem rozkładu jest stała występująca w funkcji danego rozkładu, jak również funkcja stałych występujących w funkcji rozkładu

Moment zerowy rzędu k – moment rzędu k względem stałej c równej zero

W zależności od źródła powstawania błędy dzielimy na:
- błędy przyrządów pomiarowych (instrumentalne)
- błędy metody pomiarowej
- błędy obliczeń i przetwarzania danych pomiarowych
- błędy obserwatora (błąd paralaksy oraz błąd dyskretyzacji przy odczycie analogowym)
- błędy wynikające z wpływu otoczenia na tor pomiarowych, źródło wielkości mierzonej, układ pomiarowy, obserwatora.

Błędy związane z narzędziem pomiarowym mogą wynikać z błędów:
- wzorcowania pochodzącego np. z niewłaściwego umieszczenia kresek na podziałce
- tarcie
- w skutek luzów w mechanizmie
- temperaturowych spowodowanych przez zmianę elementów przyrządów
- ustawienia (montażowe)

Błędy związane z metodą pomiaru wynikają z zastosowania przy pomiarze metody nie odpowiadającej ścisłej zależności między występującymi wielkościami.

Błędy związane z obserwatorem (błędy obserwacji lub błędy osobowe); ograniczona zdolność rozróżnienia odległości, co powoduje, że oko nie może odróżnić dwóch położeń wskazówki na zakresie poniżej pewnej wartości progowej.

Błędy psychologiczne – tendencje do zawyżania lub do zaniżania (także zaokrąglania) wyników.

Błędy związane z warunkami otoczenia – powstają gdy temp., ciśnienie, pole elektryczne i magnetyczne, wilgotność odbiegają od stanu dla którego przyrząd jest wzorcowany.

Błędy związane z obliczeniem wyników np. wskutek zastosowania niewłaściwej zasady wyrównania błędów serii pomiarów lub wskutek zaokrąglania wartości wskazanych.

Podział błędów ze względu na sposób obliczania i uwzględniania wyników:
- systematyczne – błędy które pozostają stałe zarówno co do wartości i co do znaku lub zmieniają się według określonego prawa wraz ze zmianą warunków. Można go wyeliminować przez wyznaczenie odpowiedniej poprawki.
- przypadkowe – są to błędy powstające w sposób całkowicie losowy
- nadmierne (grube) – są to błędy wynikające z fałszywego odczytania wskazania, z użycia niesprawnego przyrządu lub z niewłaściwego zastosowania przyrządu.

Histogram – graficzne przedstawienie szeregu rozdzielczego wykonane w sposób następujący:
- na osi poziomej odkłada się odpowiednie przedziały klasowe,
- na osi pionowej rzędne odkłada się w ten sposób, żeby pola odpowiednich prostokątów były proporcjonalne do liczebności danych klas.

Wielobok liczebności (częstości) – lina łamana łącząca środki górnych podstaw histogramu

Zakres pomiarowy – zbiór wartości wielkości mierzonej, dla którego przyjmuje się, że błąd przyrządu pomiarowego jest zawarty w określonych granicach.

Charakterystyka przejścia jest to relacja między sygnałem wejściowym a pochodzącą od niego odpowiedzią, zachodzą w określonych warunkach.

CZUŁOŚĆ to iloraz przyrostu odpowiedzi przyrządu pomiarowego przez odpowiadający mu przyrost sygnału wejściowego. Wartość czułości może zależeć od wartości sygnału wejściowego.

Pobudliwość to właściwość charakteryzująca zdolność narzędzia pomiarowego do reagowania na małe zmiany wielkości mierzonej

Błąd pobudliwości – to zmiana wartości wielkości mierzonej nie wywołująca zmiany wskazania (dla obserwatora)

Próg pobudliwości – zmiana sygnału wyjściowego nie wywołuje wykrywalnej zmiany przyrządu pomiarowego, gdy zmiana sygnału wejściowego jest powolna i monotoniczna

Odwracalność narzędzia pomiarowego – to właściwość która charakteryzuje zdolność narzędzia pomiarowego do podawania tego samego wskazania gdy pomiary dokonujemy przez zwiększanie wielkości mierzonej a następnie przez jej zmniejszanie

Poprawność narzędzia pomiarowego to własność charakteryzująca zdolność narzędzia pomiarowego do wskazania poprawnych wartości wielkości mierzonej bez uwzględnienia błędu wierności wskazań

Błąd poprawności to suma algebraiczna (wypadkowa) błędów systematycznych, obarczających wskazania narzędzia pomiarowego w określonych warunkach użytkowania.

Błąd poprawności wzorca miary wyznacza się jako różnicę między jego wartością nominalną a średnią arytmetyczną poprawnych wartości wzorca miary otrzymanych jako wynik w jednej serii kolejnych pomiarów.

Wierność narzędzia pomiarowego jest to właściwość charakteryzująca zdolność narzędzia pomiarowego do podawania wskazań, zgodnych między sobą, dla tej samej wartości wielkości mierzonej, nie biorąc pod uwagę błędów systematycznych o wartościach zmiennych.