ÚVOD DO METROLOGIE. KATEDRA FYZIKY PřF

Transkript

1 ÚVOD DO METROLOGIE KATEDRA FYZIKY PřF OSTRAVA 2005

2 - 2 - Úvod do metrologie ÚVOD DO METROLOGIE POVINNĚ VOLITELNÝ KURS LS 2005 KFY/UVMET kredity Zp Úvod - historické poznámky a souvislosti (SKLENÁK) SI soustava jednotek (SKLENÁK) Legální metrologie (SKLENÁK) Přesnost a chyby měření (SKLENÁK) Matematický aparát diferenciální a diferenční počet (SKLENÁK) Matematický aparát statistika a pravděpodobnost (DVOŘÁK) Zpracování výsledků měření (DVOŘÁK) Principy a metody měření (DVOŘÁK) Čidla a převodníky (LYSENKO) Analogově - číslicové převodníky (LYSENKO) Kontrola jakosti (DVOŘÁK) Teorie dimenzí (DVOŘÁK) Kontrolní test

3 Úvod do metrologie ÚVOD (L.SKLENÁK) Měření je základ. Co nemůžeme změřit, nemůžeme regulovat. Co nelze regulovat, to nelze zlepšovat Metrologie je vědní a technický obor, který zahrnuje veškeré poznatky týkající se měření, jejich praktického provádění a hodnocení jejich výsledků Co je to měření? Proč o měření potažmo o metrologii hovoříme jako o vědním oboru? Samotný pojem měření je v laické veřejnosti vnímán dosti vágně a nepřehledně. Měření nás přitom provází od narození až do smrti (porodní hmotnost, délka rozměry naší poslední tělesné schránky. Měření tělesné ženy průběžně, měření a sledování teploty, měření času, měření kupní síly apod. Proto: zprostředkovaná závislost na měření z pozice účastníka jakékoliv obchodní transakce, požadavek patřičné jakosti kupovaného zboží, na druhé straně otázka lepší konkurenceschopnosti výrobců, kteří jsou díky důslednému uplatňování metrologie dlouhodobě schopni produkovat výrobky vyšší jakosti (význam kvality produkce dodavatelů apod.). METROLOGIE se zabývá jednotkami veličin a jejich realizací, měřidly, měřicími metodami a postupy, zpracováním výsledků měření, činností a vlastnostmi osob provádějících měření, pokud má tato činnost a vlastnosti pro měření význam, určováním fyzikálních a technických konstant. Tento dnes již velmi široký vědní obor je tvořen podobory, které obvykle nazýváme: Teoretická metrologie teoretické problémy související s měřením součástí teoretické metrologie je např. teorie chyb (nejistot) měření, vycházející z matematické statistiky. Obecná metrologie teoretická i praktická východiska společná všem měřením bez ohledu na měřenou veličinu, Aplikovaná metrologie zaměření na určitou veličinu nebo vědní či technický obor (např. metrologie délky, času apod., metrologie astronomická, průmyslová apod.) Technika měření technika a metodika provádění měření (pozor tuto část metrologie nelze zaměňovat s měřicí technikou, kterou obvykle rozumíme souhrn všech prostředků sloužících k měření!!)

4 - 4 - Úvod do metrologie Z hlediska administrativně správního je dále důležitou součástí metrologie Státní metrologie metrologické povinnosti a úkoly státu zajišťované speciálními a specializovanými státními orgány a pracovišti. Vrcholným orgánem ČR v této oblasti je (centrální státní) Úřad pro normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví (ÚNMZ). Zákonnými předpisy pro činnost ÚNMZ jsou zákony 20/1993 Sb., 110/1997 Sb. a (zákon) 119/2000 Sb. (o metrologii) a řada prováděcích vyhlášek k těmto zákonům. Legální metrologie výkonná část státní metrologie (na níž se však může podílet i veřejný a soukromý sektor) zajišťující měřicí pořádek (vyhlašování měřicích jednotek) v oblasti výroby, obchodu, zdravotnictví, dopravy - obecně služeb všeho druhu apod. Stanovení měřicích metod a dohled nad vybranými měřidly a měřicími přístroji. Východiska legální metrologie právně technické předpisy (normy ISO) Zájem státu o metrologii je pochopitelný. Odhaduje se totiž, že důsledné dodržování zákona o metrologii a dalších zákonných předpisů v souladu s požadavky legální metrologie na všech úrovních činnosti státního i soukromého sektoru je schopno přinést zvýšení HDP o 4 až 6%. Stručný obsah výše uvedených zákonů spolu s povinnostmi a úkoly orgánů státní i legální metrologie bude obsahem jiné přednášky tohoto kurzu. DEFINICE ZÁKLADNÍCH POJMŮ Měření je soubor činností s cílem určení hodnoty veličiny (ČSN ISO ). Princip měření je (fyzikální) jev nebo souhrn (fyzikálních) jevů, na kterých je měření založeno. Postup měření je soubor specificky popsaných činností, které jsou používány při blíže určených měřeních podle dané metody měření (ČSN ). Postup blíže určeného měření je obvykle zaznamenán v dokumentu, který musí být dostatečně podrobný k tomu, aby umožnil pracovníkovi provést měření bez dalších informací. pravá hodnota veličiny je hodnota, které nabývá veličina za podmínek existujících v okamžiku jejího měření. Pravá hodnota veličiny je hodnota ideální, protože ve skutečnosti nemůže být přesně zjištěna. Za pravou hodnotu veličiny je považována její hodnota nejpravděpodobnější, tj. hodnota, kterou určíme z většího počtu měření opakovaných za stejných podmínek a zatížených pouze náhodnou chybou. konvenčně pravá hodnota veličiny je hodnota blížící se její pravé hodnotě tak, že pro účel, k němuž je použita, lze její nejistotu tj. rozdíl mezi ní a pravou hodnotou - zanedbat. Konvenčně pravé hodnoty některých veličin jsou přijaty konvencí jako pravé hodnoty, tj. hodnoty s nulovou nejistotou (např. velikost rychlosti světla ve vakuu). (Měřitelná) veličina je vlastnost jevu, tělesa nebo látky, kterou lze kvalitativně rozlišit a kvantitativně měřit (ČSN ). Základní veličina je jedna z veličin, které jsou v soustavě veličin konvenčně nezávislé (ČSN ). Odvozená veličina je veličina definovaná v soustavě veličin jako funkce základních veličin této soustavy (ČSN ). Rozměr veličiny je výraz, který vyjadřuje veličinu ze soustavy veličin jako součin mocnin činitelů, představujících základní veličiny této soustavy.

5 Úvod do metrologie Jednotka je blíže určená veličina definovaná a přijatá konvencí, se kterou jsou porovnávány jiné veličiny stejného druhu za účelem vyjádření jejich hodnot ve vztahu k této veličině (ČSN ). Základní jednotky, odvozené jednotky. HISTORICKÝ VÝVOJ MĚŘENÍ A MĚŘICÍCH JEDNOTEK Měření je tak staré jako lidstvo samo. Zpočátku podvědomá činnost nutná k přežití. Zprvu šlo zejména o měření délky a hmotnosti, později i času a teploty. Proto měření (a jednotky) délky (plošného obsahu a objemu) a hmotnosti (ve smyslu váhy prošlo nejdelším historickým vývojem a jejich jednotky vykazují největší rozmanitost. Souběžně s vývojem lidstva postupoval i vývoj techniky měření, jemuž se připisoval zejména v počátcích mystický charakter, s nímž se můžeme setkat u méně vyspělých národů dodnes. Některé starověké civilizace značně vyspělý měrový systém i měřicí techniku souvislost s hospodářstvím i budováním monumentálních staveb (pyramidy, chrámy, silnice, zavodňovací systémy apod.). Řada i dnes používaných jednotek má svůj původ v této době (např. šedesátinné dělení jednotek času a rovinného úhlu má svůj původ ve starověkém Sumeru a Babylónii, míle z antického Říma apod.). Ve starém Egyptě existovala řada vážených úředníků, kteří se starali výhradně o metrologické záležitosti. Z této doby se dochovala řada informací různých měřicích přístrojích a zařízeních (např. váhy, které měly důležitý význam i v náboženské symbolice) Starých měřících jednotek je velké množství. Jejich (dochované) definice byly velmi nedokonalé a hodnoty časově nestálé. Ani ve větších regionálních a státních celcích (říších) nebyla zavedena normalizace jednotek, toto jednotky tedy měly pouze místní platnost měnící se ještě v čase a mnohdy také podle látky, pro kterou byly stanoveny. Lze říci, že největší metrologický chaos panoval v celém středověku; počátek (a příčinu) tohoto chaosu lze datovat dobou zakládání a rozvoje měst Délkové míry byly nejčastěji odvozovány z význačných rozměrů lidského (např. ve staré Indii také zvířecího) těla, nebo z některých význačných rozměrů okolního neživého světa. Za jednotky délky byly voleny snadno reprodukovatelné tělesné rozměry palec, dlaň, loket, sáh, stopa apod. Jistou snahou o normalizaci jednotek délky byl jejich stejný název, tato snaha však byla degradována jejich místními hodnotami, odvozenými v řadě případů z tělesných rozměrů místních vládců či jiných hodnostářů (tak např. ve Švýcarsku, zemi to poměrně malé, existovalo ve středověku asi 70 různě dlouhých loktů a zhruba 40 různě dlouhých stop). V českých zemích (jakž ostatně i v zemích jiných) souvisela snaha o zavedení jistého měrového pořádku se stupněm moci státu a vlády. První takový pokus byl učiněn za panování Přemysla Otakara II (1268). Za základní jednotku délky byl tehdy vybrán jeden pražský (český) loket (přibl. 60 cm), který se rovnal 3 pídím (1 píď se rovnala se rovnala 10 prstům, 1 prst se rovnal širokosti čtyř zrn ječmene položených vedle sebe). Měrový pořádek byl mimořádně energicky prosazován za Karla IV. Výraznější a také úspěšnější snahu o dosažení měrového pořádku lze však v českých zemích tak jako jinde pozorovat až v době manufakturní a později průmyslové výroby. Proto bylo zavedení jednotných měr i vah ve většině států provedeno v historicky poměrně nedávné době. Výjimkou je Anglie, kde byla tato jednotnost zavedena již v r.1215 Magnou chartou. Ve Francii, která sehrála v oblasti metrologie rozhodující úlohu, byla jednotná míra přijata během velké Francouzské revoluce zákonem v září Ve Španělsku a Švýcarsku se tak stalo v r.1801, v Německu, roztříštěném v té době na řadu států a státečků došlo k měrovému sjednocení až v r.1884.

6 - 6 - Úvod do metrologie Na území bývalé Rakousko Uherské monarchie byly od jejího vzniku učiněny tři významnější pokusy o měrové sjednocení. Poprvé se tak stalo v r.1655 za vlády Ferdinanda III., dále pak v r.1725 za Karla VI. a v r.1772 za Marie Terezie. I když měrová nařízení z uvedených let značně přispěla k postupnému rozvoji měrového pořádku, zásadního měrového sjednocení jimi dosaženo nebylo, a to především pro značnou decentralizovanost měrové služby do jednotlivých království a zemí tvořících Rakousko Uherskou monarchii. Teprve v r.1853 byl císařským nařízením zaveden jednotný měrový systém pro celou monarchii, nikoliv však ještě systém metrický. Za jednotné míry byly přijaty jednotky dolnorakouské. V Čechách se tak stalo v r.1855, na Moravě a ve Slezsku v r Za obecně platné byly ustanoveny tyto míry: vídeňský sáh a loket, dolnorakouský máz, vědro a měřice, vídeňská libra a cent. Výsledky toho pokusu o sjednocení měr však nebyly uspokojivé (neexistoval dosud žádný kompetentní centrální orgán, nebyla dostačující kontrola špatně vybavených regionálních cejchovních úřadů atd.) Zásadní obrat ke zlepšení měrového pořádku v r.1871 po vydání zákona o mírách a váhách, jehož základem již byl metrický měrový systém. Je zajímavé, že tento rakouský zákon platil v českých zemích s různými doplňky a obměnami až do r Ve zmíněném zákoně byly předně definovány jednotky délky a váhy (hmotnosti): metr a kilogram. Plošné a objemové jednotky měly být odvozovány z metru. Samostatně z objemu 1 kg vody byl definován litr. V zákoně byly dále uvedeny jmenovitě názvy a značky nových metrických měrových jednotek s jejich násobky a díly a také vztah nových jednotek k jednotkám starším. NEJVÝZNAMNĚJŠÍ FAKTORY OVLIVŇUJÍCÍ VÝVOJ MĚŘENÍ A MĚROVÝCH JEDNOTEK Vývoj lidského poznání jeho počátky a význam v boji o přežití druhu, nesystematické hromadění poznatků, vliv náboženství, vznik a rozvoj vědy, význam matematiky, přírodních věd obecně a fyziky a jejich technických aplikací zvlášť. Vlivy geopolitické a náboženské Vlivy ekonomické a vojenské Všechny tyto vlivy se navzájem prolínají a také jejich význam pro metrologii se v čase měnil.

7 Úvod do metrologie MEZINÁRODNÍ SOUSTAVA JEDNOTEK SI (L.SKLENÁK) FYZIKÁLNÍ VELIČINY Veličinou rozumíme pojem, který používáme ke kvalitativnímu nebo kvantitativnímu popisu fyzikálních jevů, stavů a těles (různých fází). Má-li nějaká veličina povahu fyzikální, nazýváme ji fyzikální veličina. Fyzika, zvláště pak praktická fyzika má ze všech vědních oborů nejužší vztah k metrologii. Fyzikální veličiny jsou definovány exaktně. V každé soustavě veličin volíme některé veličiny za základní. Ostatní veličiny jsou odvozené od veličin základních. Základní veličiny pokládáme je vzájemně nezávislé. Toto tvrzení je trochu problematické, neboť jak dále uvidíme v definici ampéru se setkáváme s metrem a dokonce i s odvozenou veličinou silou, v definici metru se setkáváme se sekundou, čímž je proklamovaná nezávislost porušena. Definovat nějakou veličinu, která v dané soustavě veličin nebyla zvolena za základní, znamená stanovit její vztah k základním veličinám. Dříve než zavedeme soustavu jednotek, je třeba vytvořit soustavu veličin a přesně stanovit, které z veličin jsou základní a které odvozené. Výběr základních veličin by přitom měl být proveden s ohledem na získání pokud možno minimálního počtu veličin umožňujících však přesnou definici všech veličin odvozených. Volba základních veličin je konvenční, neboť příroda nás při této volbě nijak neusměrňuje. Dnes používaná soustava veličin a výběr veličin základních jsou víceméně dány tradicí a praktickou četností jejich používání (a měření). NĚKTERÉ VLASTNOSTI (FYZIKÁLNÍCH) VELIČIN Prostorově rozložený soubor určité veličiny nazýváme fyzikálním polem této veličiny. Fyzikální pole může být skalární (hmotnost, tlak, teplota, energie apod.), nebo vektorové (síla, rychlost, magnetická indukce apod.). Obecně jde o pole tenzorové. Fyzikální veličiny nemění svůj charakter při jakékoliv technické aplikaci a lze je označit za absolutní. Pracujeme však také s relativními (poměrnými) fyzikálními veličinami, které jsou definovány poměrem dvou veličin téhož druhu (rel. délka, rel. vlhkost apod.). Aditivní veličina její hodnoty lze u několika stejnorodých objektů sčítat (hmotnost, energie apod.). Fyzikálně je aditivní veličina totožná s veličinou extenzivní. Bezrozměrová veličina její rozměr (dim) je roven jedné. Číselná veličina její rozměr je roven jedné. Jsou to zejména všechny veličiny relativní. Dynamická veličina patří do dynamiky nebo (obecněji) jde o veličinu časově proměnnou (nestacionární). Efektivní veličina veličina s efektivní hodnotou. Jde zejména o harmonicky proměnné veličiny.

8 - 8 - Úvod do metrologie Extenzivní veličina stavová veličina, jejíž hodnotu lze získat jako součet dílčích složek; extenzívní vlastnost soustavy je závislá na velikosti a hmotnosti soustavy. Homologické veličiny takové, které mají různou fyzikální povahu, ale stejný rozměr (např. energie a moment síly). Intenzivní veličina veličina závisející pouze na stavu soustavy nikoliv však na počtu částic, které ji tvoří, na její hmotnosti a látkovém množství (teplota). Kritická veličina charakterizuje stav termodynamické soustavy, při němž mizí rozdíl mezi kapalným a plynným skupenstvím látky. Logaritmická veličina nebo též hladina je vyjádřena (přirozeným) logaritmem poměru určité veličiny a její zvolené referenční hodnoty. Měřitelná veličina reálná přírodní veličina, jejíž hodnotu umíme stanovit. Jde o naprostou většinu fyzikálních a technických. Opakem jsou veličiny smyslové, které umíme v rámci konvenčních stupnic pouze odhadovat. Měrná veličina (nikoliv specifická) podíl extenzivní veličiny charakterizující určitou makroskopickou soustavu a hmotnosti této soustavy. Molární veličina podíl extenzivní veličiny charakterizující určitou makroskopickou soustavu a molární hmotnosti této soustavy. Náhodná veličina její hodnoty tvoří množinu výsledků nějakého náhodného děje. Je definovaná diskrétním nebo spojitým rozložením pravděpodobnosti. Obvodová veličina elektrická veličina, charakterizující stav elektrického obvodu. Ovlivňující veličina není předmětem měření, ovlivňuje však jeho průběh a výsledek. Musíme ji proto také měřit, abychom mohli provést patřičné korekce naměřených hodnot. Stacionární veličina časově stálá (také možnost kvasistacionární). Stavové veličiny makroskopické veličiny v termodynamice. Jejich soubor charakterizuje stav soustavy. Vnější s.v. objem a veličiny popisující vnější silová pole. Vnitřní s.v. hustota, tlak, teplota apod. Statická veličina patří do statiky nebo jde o veličinu stacionární. Vstupní a výstupní veličina veličiny na začátku a konci měřicího řetězce. Veličiny v ekonomii a oblasti jakosti Fyzikální (hmotnost) Technické (tvrdost) Číselné (počet kusů) Finanční (cena) Kombinované (cena za jednotku) Nekvantifikované (senzorické, chuťové, čichové, estetické kvalimetrické veličiny) Vztažná veličina význačná fyzikální konstanta nebo vlastnost látky za udaných podmínek, k níž vztahujeme veličinu jinou (permitivita vakua, hustota vody za norm. podmínek apod.) Normální podmínky zpravidla teplota 20 C tlak Pa. Někdy také ještě normální tíhové zrychlení případně další veličiny. (v elektrotechnice 23 C ) a barometrický g n = 9, m s 2 Univerzální konstanta má za všech okolností (podmínek) stejnou hodnotu ( ch, apod. ).

9 Konstanta stálost za určitých podmínek. Úvod do metrologie KATEGORIZACE VELIČIN Je v podstatě libovolná (s přihlédnutím tradice, konvence). Zpravidla se přidržujeme dělení fyziky daného vývojem poznání. Význačné normy ČSN ISO řady 31 (1992) mají následující dělení 0 Všeobecné zásady 1 Prostor a čas 2 Periodické a příbuzné jevy 3 Mechanika 4 Teplo 5 Elektřina a magnetismus 6 Světlo a příbuzná elektromagnetická záření 7 Akustika 8 Fyzikální chemie a molekulová fyzika 9 Atomová a jaderná fyzika 10 Jaderné reakce a ionizující záření 11 Matematická znaménka a značky používané ve fyzikálních vědách a technice 12 Podobnostní čísla 13 Fyzika pevných látek SOUSTAVA SI Soustava jednotek, která byla přijata 11. Generální konferencí pro váhy a míry v r.1960 a je zaváděna ve většině zemí světa. Mezinárodní zkratka této soustavy jednotek je SI. Základem SI je původně šest a od r.1971 sedm jednotek zvaných základní jednotky SI jednotky délky, hmotnosti, času, elektrického proudu, termodynamické teploty, látkového množství (1971) a svítivosti. Veličiny, pro něž jsou tyto jednotky stanoveny, se nazývají základní veličiny. ZÁKLADNÍ JEDNOTKY SI Veličina Jednotka Značka Rozměr 1 Délka metr m L 2 Hmotnost kilogram kg M 3 Čas sekunda s T 4 Elektrický proud ampér A I 5 Termodynamická teplota kelvin K Θ 6 Látkové množství mol mol N 7 Svítivost kandela cd J

10 Úvod do metrologie Dále SI obsahuje jednotky odvozené, mezi něž patří (dvě) jednotky doplňkové jednotka rovinného a prostorového úhlu. Odvozené jednotky spolu s jednotkami základními tvoří koherentní soustavu koherence se projevuje v tom, že každá z odvozených jednotek je odvozena z jednotek základních pomocí tzv. rozměrového součinu bez jakýchkoliv součinitelů (různých od čísla 1 ). Každá odvozená jednotka je tedy definovaná tak, že v již zmíněném rozměrovém součinu se vyskytují pouze mocniny rozměrů základních jednotek. Např. jednotka síly (F) je definována a koherentně odvozena pomocí vztahu F takže její rozměr je vyjádřen rozměrovým součinem dim F = MLT 2 = ma, 2 ( dim m = M, dim a = LT, M, L,T jsou rozměry základních jednotek hmotnosti, délky a času). Pro jednotku síly (newton N ) tedy (koherentně) dostáváme 1N = 1kg m s 2 Jednotkou veličiny, jejíž rozměr je roven 1, je číslo 1 taková veličina (patřící do SI) se nazývá bezrozměrová (rad, sr). Pro většinu odvozených jednotek (a veličin) jsou zavedeny mezinárodně platné názvy a značky. SI však musíme považovat za dynamickou soustavu, reagující na stupeň poznání světa a rozvoj technických aplikací zejména přírodních, ale i dalších věd. NĚKTERÉ ODVOZENÉ JEDNOTKY SE ZVLÁŠTNÍMI NÁZVY Odvozená veličina Zvláštní název ODVOZENÁ JEDNOTKA SI ZNAČKA Vyjádření pomocí základních a odvoz. jednotek SI rovinný úhel radián rad 1 rad = 1 m/m = 1 prostorový úhel steradián sr 1 sr = 1 m 2 /m 2 = 1 kmitočet hertz Hz 1 Hz = 1 s -1 síla newton N 1 N = 1 kg.m/s 2 tlak, napětí pascal PA 1 Pa = 1 N/m 2 energie, práce, tepelné množství joule J 1 J = 1 N.m elektrický potenciál, potenciální rozdíl, napětí, volt V 1 V = 1 W/A elektromotorické napětí kapacita farad F 1 F = 1 C/V elektrický odpor ohm Ω 1 Ω = 1 V/A elektrická vodivost siemens S 1 S = 1 Ω -1 magnetický tok weber Wb 1 Wb = 1 V.s

11 Úvod do metrologie magnetická indukce tesla T 1 T = 1 W/m 2 indukčnost henry H 1 H = 1 Wb/A CELSIOVA teplota Celsiův stupeň 1) C 1 C = 1 K světelný tok lumen lm 1 lm = 1 cd.sr osvětlenost lux lx 1 lx = 1 lm/m 2 aktivita (radionuklidu) becqerel Bq 1 Bq = 1 s -1 pohlcená dávka, měrná sdílená energie, kerma, index pohcené dávky dávkový ekvivalent, index dávkového ekvivalentu gray Gy 1 GY = 1 J/KG sievert Sv 1 Sv = 1 J/kg 1) Celsiův stupeň je zvláštní název pro jednotku kelvin užívaný pro udávání Celsiovy teploty. JEDNOTKY MIMO SI, KTERÉ SE MOHOU VČETNĚ DEKADICKÝCH NÁSOBKŮ A DÍLŮ UŽÍVAT SPOLU S JEDNOTKAMI SI Veličina Název Jednotka Značka Vztah k jednotkám SI čas minuta *) hodina *) den *) min h d 60 s s s rovinný úhel plošný obsah stupeň *) (π/180) rad minuta *) vteřina *) (1/60) = = (π/10 800) rad (1/60) = = (π/ ) rad gon, grad gon, g (π/200) rad hektar *) ha m 2 ar a 100 m 2 objem litr l, L 10-3 m 3 hmotnost tuna t 10 3 kg unifikovaná atomová hmotnostní jednotka *) u 27 1, kg délková hmotnost tex tex 10-6 kg/m energie elektronvolt ev zdánlivý výkon voltampér V.A jalový výkon var (VAr) var reaktivní výkon var (VAr) var 19 1, J

12 Úvod do metrologie tlak bar bar 10 5 Pa *) nelze používat dekadických násobků a dílů pomocí předpon SI CO PŘEDCHÁZELO? METRICKÝ SYSTÉM Minulý i současný rozvoj vědy, techniky, obchodu i služeb všeho druhu se projevoval a projevuje neustálým zvětšováním počtu veličin. Mnohé z těchto veličin dnes běžně používaných přísluší do oborů lidské činnosti, které v poměrně historicky nedávné minulosti v době pokusů o vznik a samotného vzniku metrického (metrologického) systému buď neexistovaly, nebo se odehrávaly pouze v teoretické rovině. Metrologie nedávno minulých století měření a pokusy o dohled nad jeho jednotností se týkala především oblasti obchodu a v daleko menší míře rozličných výrobních procesů a vědy. Jak již bylo několikrát zmíněno, panoval na začátku i v první části novověku velký metrologický chaos. ZÁSADNÍ KROK byl učiněn ve Francii ve druhé polovině 18.století. Doba i země osvícenství, encyklopedistů, materialismu TALLEYRAND tehdy biskup a předseda Národního shromáždění (shromáždění stavů) - volba a realizace nové délkové jednotky, která by skoncovala s nepřehlednou situací různých sáhů, loktů, stop apod. Byla ustavena komise 7 první návrh délka sekundového kyvadla. Dlouhé spory posléze 10 část délky čtvrtiny zemského poledníku. První měření mezi Dunquerke a Barcelonou Název metr (poprvé, z řec. metron míra) francouzský matematik a astronom JEAN CHARLES BORDA. Holanďan van SWINDEN poprvé navrhl názvy (i první systém) dekadických násobků a dílů metru mnohé z nich jsou používány dodnes viz tabulka na str.12. Metr byl jako ( základní ) jednotka délky ve Francii uzákoněn v r Z metru byly odvozeny i jednotky plošného obsahu a objemu a také což je důležité i jednotka hmotnosti (tehdy váhy) váha 1 litru čisté odvzdušněné vody nejvyšší možné hustoty. Je logické, že celý tento měrový systém byl pojmenován po své základní jednotce metrický systém Tzv. metrická konvence však vstoupila v platnost teprve v r Byla to dohoda řady států o tom, že zavedou metrické jednotky do svých národních hospodářství a správních celků. Rakousko Uhersko podepsalo tuto dohodu již v r.1875, USA ji podepsaly taktéž v 19.století, její praktickou realizaci však zatím nedokončily. Poněkud lépe je na tom i Velká Británie, která zůstala (coby imperiální velmoc) u nemetrických jednotek nejdéle (yard, který v r.1101 nahradil od Římanů převzatou stopu, byl definován jako vzdálenost špičky nosu a konce palce upažené ruky krále Jindřicha I; 1 yard = cca 0,914 m). DEFINICE ZÁKLADNÍCH JEDNOTEK SI Jednotka DÉLKY : 1 metr (m) je délka dráhy, kterou proběhne světlo ve vakuu za dobu sekundy (1983). Jednotka HMOTNOSTI : 1 kilogram (kg) je roven hmotnosti mezinárodního prototypu kilogramu (1889).

13 Úvod do metrologie Mezinárodní prototyp kilogramu je vyroben ze slitiny platiny a iridia a uchováván za přesně stanovených podmínek v Sèvres u Paříže [v r.1901 byla tato jednotka potvrzena jako jednotka hmotnosti a nikoliv jak tomu bylo dříve jednotka tíhy (váhy)]. Jednotka ČASU : 1 sekunda (s) je doba trvání period záření odpovídajícího přechodu mezi dvěma velmi jemnými hladinami základního stavu atomu cesia 133 (1967). Jednotka ELEKTRICKÉHO PROUDU : 1 ampér (A) je elektrickým proud, který při stálém průchodu (průtoku) dvěma přímými nekonečně dlouhými rovnoběžnými vodiči zanedbatelného kruhového průřezu 7 umístěnými ve vakuu ve vzdálenosti 1 m vyvolá mezi nimi sílu 210 newtonů na 1 metr délky Jednotka TERMODYNAMICKÉ TEPLOTY : 1 kelvin (K) je roven 1 273,16 termodynamické teploty trojného bodu vody (1967) Jednotka LÁTKOVÉHO MNOŽSTVÍ : 1 mol (mol) je látkové množství soustavy, která obsahuje tolik elementárních entit, kolik je atomů v 0,012 kg uhlíku C Jednotka SVÍTIVOSTI : 1 kandela (cd) je svítivost zdroje v daném směru, který vysílá monochromatické záření 12 o kmitočtu Hz a který má v tomto směru zářivost 1683 wattů na steradián PŘEDPONY SI PŘEDPONA Činitel Název Značka PŮVOD NÁZVU yotta Y zetta Z exa E peta P tera T teras (řec.) - nebeské znamení 10 9 giga G gigas (řec.) obr 10 6 mega M megas (řec.) - veliký 10 3 kilo k chilios (řec.) - tisíc 10 2 hekto h hekato (řec.) - sto 10 deka da dekas (řec.) - deset

14 Úvod do metrologie 10-1 deci d decem (lat.) - deset 10-2 centi c centum (lat.) - sto 10-3 mili m mille (lat.) - tisíc 10-6 mikro µ m ikros (řec.) - malý 10-9 nano n nano (it.) - trpaslík piko p piccolo (it.) - m aličký femto f femton (švéd.) - patnáct atto a atton (švéd.) - osmnáct zepto z yokto y

15 Úvod do metrologie LEGÁLNÍ METROLOGIE (L.SKLENÁK) MEZINÁRODNÍ ORGANIZACE A ORGÁNY LEGÁLNÍ METROLOGIE Legální (též zákonná) metrologie je ta část metrologie, která se zabývá jak technickými, tak i administrativními právními záležitostmi. Je zaměřena na měřicí jednotky, metody měření i vlastní měřicí procesy. Je zajišťována orgány odpovědnými za uplatňování právních předpisů v dané oblasti. V r byla založena Mezinárodní organizace legální metrologie s mezinárodní zkratkou OIML ( Organisation Internationale de Métrologie Légale) se sídlem v Paříži. Vrcholným orgánem této nejvýznamnější organizace v oblasti legální metrologie je Mezinárodní konference legální metrologie, která se koná jednou za pět let střídavě v různých zemích. Nižším orgánem je Mezinárodní výbor legální metrologie (CIML), zasedající jednou za rok. Stálým výkonným orgánem je Mezinárodní úřad legální metrologie (BIML), sídlící rovněž v Paříži. Mezinárodní organizace legální metrologie se zabývá těmito činnostmi určováním hlavních principů legální metrologie, metrologickými předpisy legislativního charakteru, jejichž přijetí je v mezinárodním zájmu pro unifikaci metod a předpisů, zpracováním metrologických požadavků na měřidla tak, aby tato mohla být doporučena, používána a uznávána v celosvětovém měřítku, zpracováním metrologické terminologie, organizace vzorové služby pro ověřování a inspekci měřidel. OIML publikuje závazné mezinárodní dokumenty, doporučení, slovníky a jiné publikace. Zavádí také certifikační systém OIML, který umožňuje u certifikovaných měřidel všem zemím, které se do tohoto systému přihlásí, zavést mezinárodně uznávané používání těchto měřidel bez zvláštních typových zkoušek. Tvorba dokumentů OIML je svěřována členským zemím, v nichž jsou pro tento účel zřizovány tzv. hlavní sekretariáty. Činnost některých hlavních sekretariátů zajišťuje ČMI (viz níže) STÁTNÍ METROLOGIE zahrnuje metrologické povinnosti a úkoly státu zajišťované speciálními a specializovanými státními orgány a pracovišti. STÁTNÍ LEGÁLNÍ METROLOGIE představuje výkonnou část státní metrologie (na níž se podílí i veřejný a soukromý sektor) zajišťující měřicí pořádek (vyhlašování měřicích jednotek) v oblasti výroby, obchodu, zdravotnictví, dopravy obecně služeb všeho druhu apod. Stanovení měřicích metod a dohled nad vybranými měřidly a měřicími přístroji.

16 Úvod do metrologie Východiskem pro veškerou činnost v oblasti státní i legální metrologie jsou příslušné zákony ČR a prováděcí vyhlášky k těmto zákonům. PŘEHLED ZÁKONŮ Zákon č. 119 ze dne 6.dubna 2000, kterým se mění zákon č. 505/1990 Sb., o metrologii. Zákon č. 505/1990 Sb., ve znění zákona č. 119/2000 Sb., o metrologii. Zákon č. 110/1997 Sb., o potravinách a tabákových výrobcích a o změně některých souvisejících zákonů. Zákon č. 20/1993 Sb., o zabezpečení výkonu státní správy v oblasti technické normalizace, metrologie a státního zkušebnictví, ve znění zákona č. 22/1997 Sb. PŘEHLED PROVÁDĚCÍCH VYHLÁŠEK K ZÁKONU O METROLOGII (Stav k ) 1. Vyhláška MPO č. 262/2000 Sb., kterou se zajišťuje jednotnost a správnost měřidel a měření Vyhláška MPO č. 263/2000 Sb., kterou se stanoví měřidla k povinnému ověřování a měřidla podléhající schválení typu. Vyhláška MPO č. 264/2000 Sb., o základních měřících jednotkách a ostatních jednotkách a o jejich označování. Vyhlášky MPO č.329 až 331/2000 Sb., o způsobu zhotovení, jmenovitých hmotnostech a objemech a požadavcích týkajících se lahví pro hotově balené zboží. Vyhláška MPO č.332/2000 Sb., kterou se stanoví některé postupy při schvalování typu a ověřování stanovených měřidel označovaných EHS. Vyhlášky MPO č.333 až 339/2000 Sb., kterými se stanoví požadavky: na vodoměry na teplou a studenou vodu, taxametry, plynoměry, měřidla pro měření tlaku v pneumatikách, elektroměry a hmotné délkové měrky, na průtokoměry pro kapaliny jiné než voda, na měřicí systémy pro kapaliny jiné než voda, označované značkou EHS. Vyhláška Ministerstva zemědělství č.24/2001 Sb., kterou se mění vyhláška č.324/1997 Sb., o způsobu označování potravin a tabákových výrobků, o přípustné odchylce od množství výrobku označeného symbolem e.

17 Úvod do metrologie Zákon č.119/2000 Sb., o metrologii ( 1. obecně ) jednotnost a přesnost měřidel a měření odstraňování technických překážek obchodu v EU realizace metrologie EU Zabezpečování jednotnosti a přesnosti měřidel a měření je základním posláním metrologie. Na metrologických činnostech se podílejí určeným způsobem veřejný i soukromý sektor národních metrologických systémů a soustava všech poskytovatelů a uživatelů služeb s metrologií souvisejících. V zájmu jednotného trhu EU a odstraňování technických překážek obchodu liberalizací postupu při uvádění průmyslových výrobků na trh především v regulované sféře je cílem zákona zjednodušit a sjednotit postupy při posuzování shody v zemích EU a uznávání certifikátů o shodě a značky shody CE. Jednotnou úpravu pro oblast měřících přístrojů řeší směrnice EU nazývaná Metro nebo MID (Measuring Instruments Directive). Podle MID se metrologická legislativa v zemích EU se člení na dvě části: a) - společnou (evropskou) pro uvádění měřidel na trh výrobcem nebo dodavatelem; b) národní pro používání těchto měřidel u uživatelů, jejich následné ověřování a metrologický dozor. Zákon č.505/1990 Sb., o metrologii byl koncipován pro potřebu transformace k tržní ekonomice. Ve znění zákona č. 119/2000 Sb., má tento zákon postihnout zejména následující: umožnit realizaci návaznosti právní úpravy metrologie v rámci EU, umožnit volný pohyb měřidel mezi státy EU, v některých oblastech regulovat péči o měřidla v podnikatelské sféře, tj. používání etalonů, pracovních měřidel, registrace organizací apod. harmonizovat z technického hlediska výklad pojmů ve státech EU, postihnout stejným způsobem problematiku referenčních materiálů v širším kontextu s chemickou metrologií, řešit problematiku baleného zboží, resp. metrologického zabezpečení této oblasti v souladu s pravidly EU.

18 Úvod do metrologie Zákon č.119/2000 Sb., o metrologii ( 2. působnost zákona ) Zabezpečování jednotnosti a přesnosti měřidel a měření Měřidla Návaznost měřidel Ověřování a kalibrace Uvádění měřidel do oběhu Používání měřidel Zákonné měřící jednotky Státní metrologická kontrola Certifikované referenční materiály Hotově balené zboží ÚŘAD PRO NORMALIZACI, METROLOGII A STÁTNÍ ZKUŠEBNICTVÍ (ÚNMZ) se sídlem v Praze stanoví program státní metrologie a zabezpečuje jeho realizaci; zastupuje ČR v mezinárodních metrologických orgánech a organizacích, zajišťuje úkoly vyplývající z tohoto členství a koordinuje účast orgánů a organizací na plnění těchto úkolů i úkolů plynoucích z mezinárodních smluv; autorizuje subjekty k výkonům v oblasti státní metrologické kontroly měřidel SMK - a úředního měření, pověřuje oprávněné subjekty k uchovávání státních etalonů, pověřuje střediska kalibrační služby a kontroluje plnění stanovených povinností u všech těchto subjektů; uděluje souhlas s navázáním hlavních etalonů na etalony zahraničních subjektů se srovnatelnou metrologickou úrovní; kontroluje dodržování povinností stanovených tímto zákonem; poskytuje metrologické expertízy, vydává osvědčení o odborné způsobilosti metrologických zaměstnanců a stanoví podmínky k zajištění jednotného postupu subjektů pověřených uchováváním státních etalonů, autorizovaných metrologických středisek, středisek kalibrační služby a subjektů pověřených výkonem úředního měření;

19 Úvod do metrologie zveřejňuje ve Věstníku Úřadu pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví zejména subjekty pověřené k uchovávání státních etalonů, autorizovaná metrologická střediska, subjekty autorizované pro úřední měření, střediska kalibrační služby, státní etalony, seznamy certifikovaných referenčních materiálů a schválené typy měřidel; plní úkoly podle zvláštních předpisů. Zákon č.119/2000 Sb., o metrologii ( 3. Orgány státní správy a subjekty ) Zabezpečování jednotnosti a přesnosti měřidel a měření Úkoly orgánů státní správy Úkoly subjektů ÚNMZ ČMI AMS Úhrady a pokuty Úřední měření SKS ČESKÝ METROLOGICKÝ INSTITUT (ČMI) se sídlem v Brně spolu se svými oblastními inspektoráty provádí metrologický výzkum; uchovávání státních etalonů včetně přenosu hodnot měřicích jednotek na měřidla nižších přesností; certifikaci referenčních materiálů; státní metrologickou kontrolu měřidel; registraci subjektů, které vyrábějí nebo opravují stanovená měřidla, popř. provádějí jejich montáž; státní metrologický dozor u autorizovaných metrologických středisek, středisek kalibrační služby, u subjektů autorizovaných pro výkon úředního měření, u subjektů, které vyrábějí nebo opravují stanovená měřidla, popř. provádějí jejich montáž, u uživatelů měřidel; metrologickou kontrolu hotově baleného zboží a poskytuje odborné služby v oblasti metrologie.

20 Úvod do metrologie ČMI může povolit předběžnou výrobu měřidla před jeho typovým schválením; povolit krátkodobé používání stanoveného měřidla v době mezi ukončením jeho opravy a ověřením s omezením této doby; ČMI oznamuje orgánům Evropských společenství nebo příslušným orgánům států, se kterými jsou uzavřeny mezinárodní smlouvy, v rozsahu z těchto smluv vyplývajícím, informace o vydání, změnách, zrušení nebo omezení certifikátů týkajících se schvalování měřidel. AUTORIZOVANÁ METROLOGICKÁ STŘEDISKA (AMS) jsou subjekty, které ÚNMZ na základě jejich žádosti autorizoval k ověřování stanovených měřidel po prověření úrovně jejich metrologického a technického vybavení ČMI a po prověření kvalifikace zaměstnanců, která je doložena certifikátem způsobilosti vydaným akreditovanou osobou. Náležitosti žádosti o akreditaci a podmínky pro autorizaci jsou stanoveny vyhláškou ministerstva. STŘEDISKO KALIBRAČNÍ SLUŽBY (SKS) je subjekt, pověřený na základě své žádosti k výkonu kalibrace měřidel pro jiné subjekty a k přidělení kalibrační značky. Toto pověření je udělováno ÚNMZ pokud žadatel prokáže způsobilost pro provádění kalibrace měřidel osvědčením vydaným podle zvláštního právního předpisu ( 14 zákona č. 22/1997 Sb., ve znění zákona č. 71/2000 Sb.) ÚŘEDNÍ MĚŘENÍ ÚNMZ může v případech zvláštního zřetele hodných autorizovat subjekt na jeho žádost výkonu úředního měření ve stanoveném oboru měření. Podmínkou výkonu je užívání měřidel odpovídajících požadavkům SMK, dále pak osvědčení o odborné způsobilosti úředního měřiče (doložené certifikátem způsobilosti vydaným akreditovanou osobou), odpovědného za úřední měření vydané ÚNMZ a dohled prováděný ČMI. Úředním měřením se rozumí metrologický výkon, o jehož výsledku vydává autorizovaný subjekt doklad, který je veřejnou listinou. Náležitosti žádosti o akreditaci a podmínky pro autorizaci jsou stanoveny vyhláškou ministerstva. (METROLOGICKÝ) SUBJEKT vede evidenci používaných stanovených měřidel podléhajících novému ověření s datem posledního ověření a předkládá tato měřidla k ověření. Zajišťuje jednotnost a správnost měřidel a měření a je povinen vytvořit metrologické předpoklady pro ochranu zdraví zaměstnanců, bezpečnosti práce a životního prostředí přiměřeně ke své činnosti. Zákon č.119/2000 Sb., o metrologii ( 4. kategorizace měřidel ) etalony pracovní měřidla stanovená pracovní měřidla nestanovená certifikované referenční materiály a ostatní referenční materiály

21 Úvod do metrologie ETALON (E) Mezinárodního metrologický slovník (VIM) uvádí, že Etalon je ztělesněná (zhmotněná) míra, měřicí přístroj (měřidlo), referenční materiál nebo měřicí systém určený k definování, realizování, uchovávání a reprodukování jedné nebo více hodnot nějaké veličiny k jejich použití pro referenční účely. Referenčním účelem je míněno poskytnutí definované hodnoty pro zajištění návaznosti měřidel. Etalon měřicí jednotky anebo stupnice určité veličiny je měřidlo sloužící k realizaci a uchovávání této jednotky nebo stupnice a k jejímu přenosu na měřidla nižší přesnosti. Uchováváním etalonu se rozumí všechny úkony potřebné k zachování metrologických charakteristik etalonu ve stanovených mezích. Etalony mají sloužit výhradně k zabezpečení jednotnosti a přesnosti měřidel a měření, tedy k navazování měřidel nižší přesnosti, nemají se proto používat k rutinnímu měření. Primárními jsou mezinárodní etalony a na ně navazující státní etalony členských států metrické konvence. Mezinárodní etalony jsou přechovávány v Mezinárodním úřadě vah a měr (BIPM) v Sévres u Paříže. Většina státních etalonů ČR je deponována v Českém metrologickém institutu se sídlem v Brně. Na státní etalony jsou navazovány etalony sekundární, od nichž jsou odvozovány hodnoty etalonů v celém národním hospodářství. Navazování etalonů (a pracovních měřidel) se nazývá kalibrování, navazování stanovených měřidel říkáme ověřování. Mezinárodní úřad vah a měr zabezpečuje mezinárodní etalonáž pouze pro základní veličiny SI (s výjimkou látkového množství) a některé další veličiny z atomistiky a jaderné fyziky. Primární etalony odvozených veličin si vytvářejí národní metrologické instituty vlastními silami, případně se navazují na metrologické instituty států, které jsou schopny tyto etalony realizovat. V Evropě mezinárodní organizace EUROMET (European Collaboration in Measurement Standarts) a WELMEC (European Cooperation in Legal Metrology). Primární etalon může představovat rozsáhlý soubor měřicích prostředků. Kromě hlavního etalonu do tohoto souboru patří i etalony násobných a dílčích jednotek, etalony svědecké, sloužící k občasné kontrole hlavního etalonu a navazovací etalon, který je prakticky totožný s etalonem hlavním. Počet svědeckých etalonů bývá lichý např. pro mezinárodní etalon kilogramu existuje v BIPM 5 svědeckých etalonů. Český státní etalon kilogramu je kontrolován třemi svědeckými etalony. STANOVENÉ MĚŘIDLO (SM) Stanovená měřidla jsou měřidla, která MPO (Ministerstvo průmyslu a obchodu) stanoví vyhláškou k povinnému ověřování s ohledem na jejich význam v závazkových vztazích, např. při prodeji, nájmu nebo darování věci, při poskytování služeb nebo při určení výše náhrady škody, popř, jiné majetkové újmy, pro stanovení sankcí, poplatků, tarifů a daní, pro ochranu zdraví, pro ochranu životního prostředí, pro bezpečnost při práci,

22 Úvod do metrologie při ochraně jiných veřejných zájmů chráněných zvláštními právními předpisy. Z uvedeného plyne, že se (zpravidla) nejedná o měřidla pracovní, která jsou určena ke každodennímu použití v rámci výrobního procesu. PRACOVNÍ MĚŘIDLO (PM) Pracovní měřidlo je měřidlo, které není etalonem ani stanoveným měřidlem. Pracovní měřidla musí být kalibrována ve lhůtách, které si jejich uživatel stanoví sám (s ohledem na své vlastní požadavky přesnosti měření a jakosti výrobků). CERTIFIKOVANÝ REFERENČNÍ MATERIÁL A OSTATNÍ REFERENČNÍ MATERIÁLY (CRF + RF) Referenční materiál je podle VIM materiál nebo látka, jejichž jedna nebo více hodnot vlastností je dostatečně homogenní a je stanovena s dostatečnou úrovní hodnověrnosti. Certifikované referenční materiály (CRF) a ostatní referenční materiály (RF) jsou tedy materiály nebo látky přesně stanoveného složení nebo vlastností, používané zejména pro ověřování nebo kalibraci přístrojů, vyhodnocování měřicích metod a kvantitativní určování vlastností materiálů. Třída referenčních materiálů vznikla zejména pro potřebu chemie a techniky. Zasahuje však i do jiných metrologických oblastí. Např. pro reprodukci mezinárodní teplotní stupnice (jejích teplotních bodů) jsou potřebné látky vysoké chemické čistoty (tzv. pětidevítkové kovy). Při kalibraci a kontrole hustoměrů, viskozimetrů a řady dalších měřidel používaných zejména ve fyzice a fyzikální chemii potřebujeme kapaliny značné čistoty. Totéž platí pro plyny např. při kontrole exhalací. Zákon č.119/2000 Sb., o metrologii ( 5. návaznost měřidel ) Měřidlo Kdo navazuje Značka Poznámka E ČMI, SKS CM, C Kalibrace, mimo obory, kde jsou vyhlášena SM SM ČMI, AMS CM, K PM ČMI, SKS, subjekt s návazností na ČMI a SKS CM, C Ověření, typové schválení Kalibrace CRM + RM ČMI, AMS CRM Certifikace Úřední měření (ČMI) KALIBRACE Při kalibraci měřidla se jeho metrologické vlastnosti porovnávají zpravidla s etalonem; není-li etalon k dispozici, lze použít certifikovaný nebo ostatní referenční materiál za předpokladu dodržení zásad stanovených schématem návaznosti.

23 Úvod do metrologie OVĚŘENÍ Ověřením stanoveného měřidla se potvrzuje, že dané měřidlo má požadované metrologické vlastnosti. Postup při ověřování SM určuje ministerstvo vyhláškou. SCHVALOVÁNÍ TYPU měřidla podléhající schvalování typu ještě před zahájením jejich výroby stanoví ministerstvo vyhláškou; nově dovážené typy stanovených měřidel podléhají povinnému schvalování typu; platnost certifikátu o schválení typu měřidla zaniká uplynutím deseti let od data jeho vydání. Tuto lhůtu může ČMI na žádost výrobce nebo dovozce prodloužit o dalších deset let; měřidla, která mají původ ve státech Evropských společenství, se považují za měřidla, jejichž typ byl schválen podle tohoto zákona, pokud jsou označena značkami platnými v Evropských společenstvích, které jsou stanoveny vyhláškou ministerstva. LHŮTY Zákon č.119/2000 Sb., o metrologii ( 6. státní metrologická kontrola - SMK ) představuje schvalování typu měřidla prvotní a následné ověřování SM certifikace RM schválení typu měřidla: ostatní výkony: Výkon SMK provádí ČMI 90 dnů 60 dnů Zákon č.119/2000 Sb., o metrologii ( 7. jednotnost a správnost ) SMK ze zákona U PM zajišťuje jednotu a správnost v potřebném rozsahu jejich uživatel kalibrací PRACOVNÍ MĚŘIDLA NEPODLÉHAJÍCÍ PRAVIDELNÉ KALIBRACI Orientační měřidla zpravidla měřidla již vysloužilá, opotřebovaná, nezaručující požadovanou přesnost měření. Používání je možné pouze při orientačních měřeních nebo k detekci jisté vlastnosti. Nesmí být použita ve výrobním procesu a Řád podnikové metrologie musí vyloučit možnost jejich záměny za měřidla pracovní (výrazné označení). Měřidla v rezervě nová dosud nepoužitá měřidla představující zálohu pro mimořádné situace a jako budoucí náhrada opotřebovaných pracovních měřidel. Tato měřidla musí být skladována odděleně od všech ostatních měřidel a před jejich použitím musí být rekalibrována.

24 Úvod do metrologie 4. PŘESNOST A CHYBY MĚŘENÍ (L.SKLENÁK) Představme si, že naším úkolem je určit nějakou délku např. nějaký význačný rozměr určitého tělesa. Zvolíme si tedy nějaké měřidlo, provedeme požadované měření a získáme jeho výsledek. I když to v běžném životě nebývá zvykem, můžeme být po oznámení výsledku našeho měření zaskočeni otázkou: Jaká je přesnost tohoto měření, nebo také jinak jakou chybou je výsledek tohoto měření zatížen. Odpověď na tyto otázky není obecně jednoduchá a vyžaduje určité specifické praktické i teoretické znalosti, které tvoří důležitou součást metrologie. Nejdříve je zřejmě nutno si uvědomit, co rozumíme přesností či chybou měření. Jedna z odpovědí by mohla znít např. takto: Přesnost měření dané veličiny bychom mohli hodnotit odchylkou hodnoty naměřené od pravé (skutečné) hodnoty této veličiny. Tuto odchylku bychom pak mohli nazvat chybou měření. NEŘEŠITELNÝ PROBLÉM Pravou hodnotu dané veličiny nelze určit. Jak tedy získat, nebo alespoň odhadnout či zmenšit odchylku hodnoty naměřené od hodnoty pravé? ČÁSTEČNÉ ŘEŠENÍ TOHOTO PROBLÉMU spočívá v uvědomělém zvýšení přesnosti ( pečlivosti ) měření. Na průběhu, chybě a tím i výsledku každého měření se podílí celá řada různých subjektivních i objektivních vlivů. Každý z nich způsobuje jistou dílčí chybu a tyto dílčí chyby se skládají ve výslednou (celkovou) chybu měření. Je proto nutné provést bilanci (pokud možno všech) těchto vlivů a odstranit ty, které se odstranit dají, posoudit váhy a hodnoty dílčích chyb způsobených všemi nám známými a alespoň v dané chvíli neodstranitelnými vlivy a provést potřebnou korekci naměřené hodnoty dané veličiny. Dílčí chyby měření, způsobené těmito vlivy, obecně pak chyby, jejichž příčinu umíme určit (a případně odstranit), můžeme rozdělit do dvou základních skupin. HRUBÉ CHYBY Tyto chyby jsou (zejména při opakovaných měřeních) nápadné a tudíž rozpoznatelné. Naměřené hodnoty, zatížené hrubými chybami, se z výsledků měření musí vyloučit. Zjistíme-li, že se při měření vyskytují hrubé chyby, nesmíme v měření pokračovat do té doby, dokud se příčiny hrubých chyb neodstraní. Výskyt hrubých chyb je velmi často doprovázen dalšími viditelnými negativními projevy, jako jsou

25 Úvod do metrologie viditelné poškození měřidla nebo extrémní změna jeho příkonu, registrovaná např. jeho enormním zahříváním, nezpůsobilost, nervozita, stres, únava či další indispozice člověka provádějícího měření (operátora), extrémně nevhodné povětrnostní, prostorové, technické a jiné podmínky, Zásahy, které by měly vést k odstranění hrubých chyb, musí být zásadní výměna měřidla, operátora, změna místa a času měření apod. Odhalení příčin hrubých chyb a jejich odstranění nebývá obvykle složité. Z hlediska metrologie jde o primární a zpravidla nejjednodušší krok v celém procesu zvyšování přesnosti měření. Hrubá chyba je matematicky i jinak nezpracovatelná a musí být vyloučena ze systému měření, stejně jako výsledky měření touto chybou prokazatelně zatížené. nápadné SHRNUTÍ HRUBÉ CHYBY často provázené jinými negativními projevy vyžadující zásadní zásah do systému měření nefunkční, poškozené, špatně nastavené, nebo jinak nevhodné měřidlo nezpůsobilý, nebo indisponovaný operátor extrémně nevhodné podmínky měření Snadno odhalitelné a poměrně snadno odstranitelné SYSTEMATICKÉ CHYBY Při opakovaných měřeních téže veličiny, prováděných za stejných podmínek, mají systematické chyby stejnou hodnotu (tj. i stejné znaménko), nebo se jejich hodnota mění podle určitých zákonitostí v přímé závislosti na změně určitých podmínek měření. Proto se systematické chyby nezjistí pouhým opakováním téhož měření; k jejich zjištění a vysvětlení je zapotřebí změnit podmínky měření. Všechny systematické chyby, jejichž hodnoty lze stanovit výpočtem nebo odhadem, se dají z výsledků měření vyloučit patřičnou korekcí. Je-li m hodnota systematické chyby a x m naměřená hodnota dané veličiny, provede se její korekce na danou systematickou chybu vztahem x = xm m. Zásadní vlastností systematických chyb je jejich stálost (za neměnných podmínek) a možnost odhalení jejich příčin. Není-li příčina mezi obvyklými zdroji systematických chyb (prostředí, měřidlo, metoda), je nutné ji hledat u operátora nebo v oblasti doposud neuvažovaných zdrojů. Pokud je chyba měření nestabilní co do velikosti i znaménka, je nutno ji zařadit mezi tzv. chyby náhodné (viz dále).

26 Úvod do metrologie SHRNUTÍ odhalitelná příčina SYSTEMATICKÉ CHYBY stálost hodnoty za stejných podmínek měření; změna hodnoty při změně (určitých) podmínek měření možnost získání funkční závislosti hodnoty systematické chyby na (určitých) podmínkách měření chyba paralaxy, vliv měřicí síly, vliv teploty, osvětlení a dalších podmínek specifická vlastnost (jinak způsobilého) operátora nevhodná metoda, změna napájecího napětí apod. Odhalitelné, vysvětlitelné, ve většině případů odstranitelné optimalizací podmínek měření nebo za daných podmínek alespoň korigovatelné Předpokládejme, že se nám po bilanci a analýze všech vlivů na proces měření podařilo odstranit všechny hrubé chyby a odhalit a korigovat všechny chyby systematické. Máme tedy (modelově) k dispozici ideální měřidlo a používáme ideální měřicí metodu za ideálních podmínek. Za těchto okolností bychom očekávali, že při opakovaném měření téže veličiny obdržíme tytéž výsledky. Pravdou je bohužel opak výsledky těchto měření, nezatížené ani hrubými ani systematickými chybami, se od sebe budou lišit. Je proto třeba vzít na vědomí skutečnost, že I při použití ideálního měřidla, ideální (a na člověku, který je vždy nejslabším článkem systému měření, pokud možno nezávislé) měřicí metody aplikované za ideálních podmínek, nemůžeme a to z principiálních důvodů očekávat shodu všech výsledků opakovaných měření téže veličiny každé (i toto ideální) měření je zatíženo tzv. náhodnou chybou. Chyby, jejichž příčinu neumíme určit (a odstranit), se nazývají NÁHODNÉ CHYBY Jde o chyby, jejichž příčiny neumíme odhalit ani vysvětlit. Objevují se jak již bylo uvedeno výše i při optimálních podmínkách měření. Jejich hodnoty nevykazují žádnou zákonitost ani stálost (jako je tomu u chyb systematických). Jsou zkrátka v plném smyslu toho slova náhodné. Náhodné chyby mají neznámou příčinu jsou tedy nepoznatelné a nepředvídatelné co do velikosti i co do znaménka. Chceme-li být alespoň trochu metrologicky konkrétnější, řekneme, že náhodné chyby vznikají tam, kde má systém měření slabiny (opět zejména člověk operatér) a kde byly neodhaleny dosud neznámé či opomenuty nebo zanedbány některé vlivy známé.