ДСТУ ISO/TS 21749:2013 Невизначеність вимірювання в метрологічній практиці. Повторні вимірювання та ієрархічні експерименти (ISO/TS 21749:2005, IDT)

НАЦІОНАЛЬНИЙ СТАНДАРТ УКРАЇНИ

НЕВИЗНАЧЕНІСТЬ ВИМІРЮВАННЯ В МЕТРОЛОГІЧНІЙ ПРАКТИЦІ
Повторні вимірювання та ієрархічні експерименти

(ISO/TS 21749:2005, IDT)
ДСТУ ISO/TS 21749:2013

 

Київ
МІНЕКОНОМРОЗВИТКУ УКРАЇНИ
2015

ПЕРЕДМОВА

1 ВНЕСЕНО: Національний науковий центр «Інститут метрології» (ННЦ «Інститут метрології») спільно з Технічним комітетом стандартизації «Загальні норми і правила державної системи забезпечення єдності вимірювань» (ТК 63)

ПЕРЕКЛАД І НАУКОВО-ТЕХНІЧНЕ РЕДАГУВАННЯ: О. Малецька, канд. техн. наук; Б. Марков, канд. техн. наук (науковий керівник); О. Попарецька

2 НАДАНО ЧИННОСТІ: наказ Мінекономрозвитку України від 29 листопада 2013 р. № 1424 з 2014-07-01

3 Національний стандарт відповідає ISO/TS 21749:2005 Measurement uncertainty for metrological applications – Repeated measurements and nested experiments (Невизначеність вимірювання у метрологічній практиці. Повторні вимірювання та ієрархічні експерименти)

Ступінь відповідності – ідентичний (IDT)

Переклад з англійської (en)

4 УВЕДЕНО ВПЕРШЕ

ЗМІСТ

Національний вступ

Вступ до ISO/TS 21749:2005

1 Сфера застосування

2 Нормативні посилання

3 Терміни та визначення понять

4 Статистичні методи оцінювання невизначеності

4.1 Підхід згідно з Настановою з оцінювання невизначеності вимірювання

4.2 Контрольний еталон

4.3 Етапи оцінювання невизначеності

4.4 Приклади, наведені у цьому стандарті

5 Оцінювання невизначеності за типом А

5.1 Загальні положення

5.2 Значення часу в оцінюванні невизначеності за типом А

5.3 Конфігурація вимірювання

5.4 Неоднорідність матеріалу

5.5 Зміщення, зумовлене конфігураціями вимірювання

6 Оцінювання невизначеності за типом В

7 Впровадження невизначеності

7.1 Загальні положення

7.2 Формули для функцій однієї змінної

7.3 Формули для функцій двох змінних

8 Приклад оцінювання невизначеності за типом А, у разі використання ЗВТ

8.1 Мета й передумови

8.2 Збирання даних і контрольні еталони

8.3 Аналізування повторюваності, щоденних і довготривалих складових

8.4 Зміщення, пов’язане із зондом

8.5 Зміщення, пов’язане із конфігурацією

8.6 Обчислювання невизначеності

Додаток А Познаки

Бібліографія

Додаток НА Перелік національних стандартів, згармонізованих із міжнародними нормативними документами, на які є посилання в цьому стандарті

Цей стандарт є тотожний переклад ISO/TS 21749:2005 Measurement uncertainty for metrological applications – Repeated measurements and nested experiments (Невизначеність вимірювання у метрологічній практиці. Повторні вимірювання та ієрархічні експерименти).

Технічний комітет, відповідальний за цей стандарт, – ТК 63 «Загальні норми і правила державної системи забезпечення єдності вимірювань».

До стандарту внесено такі редакційні зміни:

— слова «міжнародний стандарт», «технічний звіт» замінено на «цей стандарт»;

— структурні елементи стандарту: «Титульний аркуш», «Передмову», «Національний вступ», «Терміни та визначення понять» та «Бібліографічні дані» – оформлено згідно з вимогами національної стандартизації України;

— у розділах «Нормативні посилання» та «Бібліографія» наведено «Національне пояснення», виділене у тексті рамкою;

— числові значення фізичних величин, таблиці та рисунки подано згідно з вимогами ДСТУ 1.5:2003;

— термін «instrument» перекладено як «засіб вимірювальної техніки».

Міжнародні стандарти ISO 3534-1, ISO 3534-3, ISO 5725 (усі частини), на які є посилання в цьому стандарті, впроваджено в Україні як національні стандарти. їх перелік наведено у додатку НА.

Термін «артефакт», який наведено у цьому стандарті, слід розуміти як об’єкт, що має стабільний розмір.

Копії нормативних документів, на які є посилання у цьому стандарті, можна отримати в Головному фонді нормативних документів.

ВСТУП до ISO/TS 21749:2005

Випробувальним, калібрувальним та іншим лабораторіям часто потрібно звітувати про результати вимірювань та пов’язані з ними невизначеності. Оцінювання невизначеності є активним процесом, що потребує часу і ресурсів. На практиці у лабораторіях проводять багато випробувань та інших операцій, в яких існує два або більше джерела невизначеності. Дотримуючись підходу згідно з Настановою з оцінювання невизначеності вимірювання (GUM) до комбінування складових невизначеності, цей стандарт зосереджується на використанні дисперсійного аналізу (ANOVA) для оцінювання окремих складових, особливо тих, що ґрунтуються на оцінюванні за типом А (статистичне оцінювання).

Експеримент планується лабораторією так, щоб надати можливість провести достатню кількість вимірювань, аналіз яких дозволить розділити складові невизначеності. Експеримент, з точки зору його планування та проведення, і подальший аналіз вимагають знання методик аналізування даних, зокрема статистичного аналізу. Отже, важливо, щоб персонал лабораторії усвідомлював, які ресурси є необхідними, та планував збирання та аналізування необхідних даних.

У цьому стандарті складові невизначеності на основі оцінювання за типом А можна оцінити зі статистичного аналізу повторних вимірювань із застосуванням засобів вимірювальної техніки, об’єктів випробування чи контрольних еталонів.

Метою цього стандарту є надання рекомендацій щодо оцінювання невизначеностей, пов’язаних із вимірюваннями щодо об’єктів випробування, наприклад таких, як елементи поточного виробничого контролю. Такі невизначеності містять складові від самого процесу вимірювання та від змін у виробничому процесі. Обидва види складових включають вплив від операторів, навколишніх умов та інших впливних величин. Для розділення впливів процесу вимірювання та змін у виробничому процесі проводять вимірювання із застосуванням контрольних еталонів, що надають дані про сам процес вимірювання. Зазвичай, такі вимірювання ідентичні вимірюванням, що проводять на об’єктах випробувань. Зокрема, вимірювання на контрольних еталонах застосовують для визначення впливних величин, що залежать від часу, з тим, щоб оцінити такі величини та порівняти їх із базою даних результатів вимірювання щодо цих еталонів. Ці еталони є також корисними під час контролю відхилення та тривалого зміщення процесу, коли на підставі даних про протікання процесу встановлюють ці величини.

У розділі 4 коротко описано статистичні методи оцінювання невизначеності, а також підхід, рекомендований у GUM, використання контрольних еталонів, етапи оцінювання невизначеності та приклади, наведені у цьому стандарті. У розділі 5, основній частині цього стандарту, описано оцінювання за типом А. Щодо джерел невизначеності, які залежать від часу, використовують ієрархічні експерименти для ANOVA. Обговорюються інші джерела, такі як конфігурація вимірювання, неоднорідність матеріалів та відхилення, обумовлені конфігураціями вимірювання, а також аналізування відповідних невизначеностей. Оцінювання невизначеності за типом В (нестатистичне оцінювання) для повноти інформації описано у розділі 6. Широко використовують закон розподілу невизначеності, описаний у GUM. У розділі 7 подано формули, отримані застосуванням цього закону до певних функцій однієї та двох змінних. У розділі 8, як приклад описано оцінювання невизначеності за типом А у разі використання ЗВТ, коли складові невизначеності обумовлені різними джерелами. У додатку А надано список статистичних познак, використаних у цьому стандарті.

НАЦІОНАЛЬНИЙ СТАНДАРТ УКРАЇНИ

НЕВИЗНАЧЕНІСТЬ ВИМІРЮВАННЯ В МЕТРОЛОГІЧНІЙ ПРАКТИЦІ
Повторні вимірювання та ієрархічні експерименти

НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ В МЕТРОЛОГИЧЕСКОЙ ПРАКТИКЕ
Повторные измерения и иерархические эксперименты

MEASUREMENT UNCERTAINTY FOR METROLOGICAL APPLICATIONS
Repeated measurements and nested experiments

Чинний від 2014-07-01

1 СФЕРА ЗАСТОСУВАННЯ

У цьому стандарті дотримується підхід, прийнятий у Настанові з оцінювання невизначеності вимірювання (GUM), та встановлюється основна структура для визначення та комбінування складових невизначеності. До цієї основної структури додано статистичні дані, отримані за допомогою дисперсійного аналізу (ANOVA) для оцінювання окремих складових, особливо тих, що класифікують як оцінки невизначеності за типом А, тобто на основі використання статистичних методів. Для повноти викладення додано короткий опис оцінювання невизначеності за типом В (нестатистичне оцінювання).

Цей стандарт охоплює експериментальні випадки, в яких складові невизначеності можуть бути оцінені за статистичним аналізом повторних вимірювань, засобами вимірювальної техніки, об’єктами випробування чи контрольними еталонами.

Цей стандарт установлює методи для отримання невизначеностей лише з одно-, дво- та трирівневими ієрархічними експериментами. Складніші експериментальні випадки, де, наприклад, існує взаємодія між складовими від оператора та складовими від ЗВТ або їх сумісний вплив, не розглядають.

Цей стандарт не застосовують до вимірювань, які не можна повторити, наприклад, руйнувальні вимірювання або вимірювання на динамічно мінливих системах (таких як потік рідини, електронні струми або телекомунікаційні системи). Цей стандарт не призначений для сертифікації стандартних зразків (особливо хімічних речовин) і калібрувань, в яких артефакти звіряються за допомогою схеми, відомої як «зважений підхід». Про сертифікацію стандартних зразків йдеться в ISO Guide 35 [14].

У разі використовування результатів міжлабораторних досліджень, відповідні методики надаються в супровідному посібнику ISO/TS 21748 [15]. Основна відмінність між ISO/TS 21748 і цим стандартом полягає у тому, що ISO/TS 21748 стосується даних відтворюваності (з неминучими складовими повторюваності), тоді як цей стандарт зосереджується на даних повторюваності та використанні дисперсійного аналізу для їх оброблення.

Цей стандарт можна застосовувати до широкого кола вимірювань, наприклад, вимірювання довжини, кутів, напруги, опору, маси та густини.

2 НОРМАТИВНІ ПОСИЛАННЯ

Наведені нижче нормативні документи є необхідними для застосування цього стандарту. Для датованих посилань використовують лише вказане видання. Для недатованих посилань – останнє видання нормативного документа (разом з усіма змінами до нього).

ISO 3534-1:1993 Statistics – Vocabulary and symbols – Part 1: Probability and general statistical terms

ISO 3534-3:1999 Statistics – Vocabulary and symbols – Part 3: Design of experiments

ISO 5725-1 Accuracy (trueness and precision) of measurement methods and results – Part 1: General principles and definitions

ISO 5725-2 Accuracy (trueness and precision) of measurement methods and results – Part 2: Basic method for the determination of repeatability and reproducibility of a standard measurement method

ISO 5725-3 Accuracy (trueness and precision) of measurement methods and results – Part 3: Intermediate measures of the precision of a standard measurement method

ISO 5725-4 Accuracy (trueness and precision) of measurement methods and results – Part 4: Basic method for the determination of the trueness of a standard measurement method

ISO 5725-5 Accuracy (trueness and precision) of measurement methods and results – Part 5: Alternative methods for the determination of the precision of a standard measurement method

ISO 5725-6 Accuracy (trueness and precision) of measurement methods and results – Part 6: Use in practice of accuracy values

Guide to the expression of uncertainty in measurement (GUM), ВІРМ, IEC, IFCC, ISO, IUPAC, IUPAP, OIML, 1993, corrected and reprinted in 1995.

НАЦІОНАЛЬНЕ ПОЯСНЕННЯ

ISO 3534-1:1993 Статистика. Словник і познаки. Частина 1. Вірогідність і загальні статистичні терміни

ISO 3534-3:1999 Статистика. Словник і познаки. Частина 3. Планування експериментів

ISO 5725-1 Точність (правильність і прецизійність) методів та результатів вимірювання. Частина 1. Основні положення та визначення

ISO 5725-2 Точність (правильність і прецизійність) методів та результатів вимірювання. Частина 2. Основний метод визначення повторюваності і відтворюваності стандартного методу вимірювання

ISO 5725-3 Точність (правильність і прецизійність) методів та результатів вимірювання. Частина 3. Проміжні показники прецизійності стандартного методу вимірювання

ISO 5725-4 Точність (правильність і прецизійність) методів та результатів вимірювання. Частина 4. Основні методи для визначення правильності стандартного методу вимірювання

ISO 5725-5 Точність (правильність і прецизійність) методів та результатів вимірювання. Частина 5. Альтернативні методи визначення прецизійності стандартного методу вимірювання

ISO 5725-6 Точність (правильність і прецизійність) методів та результатів вимірювання. Частина 6. Використання значень точності на практиці

Настанова з оцінювання невизначеності вимірювання (GUM), ВІРМ, IEC, IFCC, ISO, IUPAC, IUPAP, OIML, 1993, виправлено і перевидано 1995 р.

3 ТЕРМІНИ ТА ВИЗНАЧЕННЯ ПОНЯТЬ

У цьому стандарті застосовано терміни та визначення позначених ними понять згідно з ISO 3534-1, ISO 3534-3, ISO 5725 (усі частини), а також наведені нижче.

3.1 вимірювана величина (measurand)

Чітко визначена фізична величина, яку треба вимірювати та може бути охарактеризована по суті конкретним значенням

3.2 невизначеність вимірювання (uncertainty of measurement)

Параметр або оцінка параметра, пов’язаний з результатом вимірювання та характеризує дисперсію значень, які можна обґрунтовано приписати вимірюваній величині

3.3 оцінювання за типом А (Type A evaluation)

Метод оцінювання невизначеності з використанням статистичних методів

3.4 оцінювання за типом В (Туре В evaluation)

Метод оцінювання невизначеності з використанням засобів, відмінних від статистичних методів

3.5 стандартна невизначеність (standard uncertainty)

Невизначеність, виражена як стандартне відхилення, пов’язане з однією складовою невизначеності

3.6 сумарна стандартна невизначеність (combined standard uncertainty)

Стандартне відхилення, пов’язане з результатом певного вимірювання або серії вимірювань та враховує одну і більше складових невизначеності

3.7 розширена невизначеність (expanded uncertainty)

Сумарна стандартна невизначеність, помножена на коефіцієнт охоплення, який зазвичай є відповідним критичним значенням для f-розподілу, що залежить від ступенів свободи у сумарній стандартній невизначеності і бажаного рівня охоплення

3.8 ефективні ступені свободи (effective degrees of freedom)

Ступені свободи, пов’язані зі стандартним відхиленням, що складається з двох і більше складових дисперсії.

Примітка. Ефективні ступені свободи можна обчислити за допомогою апроксимації Велча-Саттерсвейта (див. GUM, G.4)

3.9 ієрархічний експеримент (nested design)

Експеримент, згідно з планом якого кожний рівень (тобто кожний встановлений параметр, значення чи призначення фактора) даного фактора з’являється лише в одному рівні будь-якого іншого фактора.

Примітка 1. Адаптоване з ISO 3534-3, визначення 2.6.

Примітка 2. Визначення рівня див. в 1.6 ISO 3534-3

3.10 фіксовані складові (fixed effects)

[Фактори] складові, що є результатом попереднього відбирання рівнів кожного фактора у діапазоні значень факторів

БІБЛІОГРАФІЯ

1 К. A. Brownlee. Statistical Theory and Methodology in Science and Engineering, John Wiley & Sons, Inc., New York, 1960, p. 236.

2 Carroll Croarkin and Ruth Varner. Measurement Assurance for Dimensional Measurements on Integrated-circuit Photomasks, NBS Technical Note 1164, U.S. Dept. Commerce, 1982, 44 pp.

3 J. R. Ehrstein and M. C. Croarkin. Standard Reference Materials: The Certification of 100 mm Diameter Silicon Resistivity SRMs 2541 through 2547 Using Dual-Configuration Four-Point Probe Measurement, NIST Special Publication 260–131, 1998, Revised, 84 pp.

4 Churchill Eisenhart. Realistic Evaluation of the Precision and Accuracy of Instrument Calibration Systems J Research National Bureau of Standards-C. Engineering and Instrumentation, 67C (2), 1962, pp. 161–187.

5 Gerald J. Hahn and William Q. Meeker. Statistical Intervals: A Guide for Practitioners, John Wiley & Sons, Inc., New York, 1991, p. 61.

6 Harry Ku. Notes on the Use of Propagation of uncertainty Formulas. J Research of National Bureau of Standards-C. Engineering and Instrumentation, 70C (4), 1966, pp. 263–273.

7 Samuel Kotz and Norman L. Johnson. Encyclopedia of Statistical Sciences, Vol. 2, John Wiley & Sons, New York, 1982, p. 29.

8 Mary Gibbons Natrella. Experimental Statistics, NBS Handbook 91, US Dept. Commerce. 1963.

9 Stephen Wolfram. Algebraic software, A System of Doing Mathematics by Computer, 2nd edition, Addison Wesley Publishing Co., New York, 1993.

10 ASTM Method F84-93, Standard Test Method for Measuring Resistivity of Silicon Wafers With an In-line Four-point Probe. Annual Book of ASTM Standards, 10.05, West Conshohocken, PA 19428.

11 Measurement Systems Analysis Reference Manual. Chrysler Corp., Ford Motor Corp., General Motors Corp., 2nd ed., 1995, 120 pp.

12 Determining and Reporting Measurement Uncertainties, National Conference of Standards Laboratories RP-12, 1994, Suite 305B, 1800 30th St., Boulder, CO 80301.

13 International vocabulary of basic and general terms in metrology (VIM). BIPM, IEC, IFCC, ISO, IUPAC, IUPAP, OIML, 2nd ed., 1993, 59 pp.

14 ISO Guide 35 Certification of reference materials – General and statistical principles.

15 ISO/TS 21748 Guidance for the use of repeatability, reproducibility and trueness estimates in measurement uncertainty estimation.

НАЦІОНАЛЬНЕ ПОЯСНЕННЯ

1 К. A. Brownlee. Статистична теорія та методологія в науці й техніці. John Wiley & Sons, Inc., Нью-Йорк, 1960 p., с. 236.

2 Carroll Croarkin та Ruth Varner. Забезпечення лінійно-кутових вимірювань на фотомасках на інтегральних схемах. Технічна записка Національного бюро стандартів (NBS) 1164, Міністерство торгівлі США.– 1982 с.44.

3 J. R. Ehrstein та М. С. Croarkin Стандартні зразки: Сертифікація стандартних зразків кремнію з питомим опором 2541-2547 діаметром 100 мм вимірюванням чотириточковим зондом двоїстої конфігурації, NIST Спеціальне видання 260–131, 1998 p., Виправлене, с. 84.

4 Churchill Eisenhart. Реалістичне оцінювання прецизійності та точності систем калібрування засобів вимірювальної техніки, J Дослідження Національного бюро стандартів – С. Машинобудування та вимірювальна апаратура, 67С (2), 1962 р., с. 161–187.

5 Gerald J. Hahn та William Q. Meeker. Статистичні інтервали: Посібник для практиків, John Wiley & Sons, Inc., Нью-Йорк, 1991 p., с. 61.

6 Harry Ku. Зауваження про використання формул розподілу невизначеності. J Дослідження Національного бюро стандартів – С. Машинобудування й вимірювальна апаратура, 70С (4), 1966 р., с. 263–273.

7 Samuel Kotz та Norman L. Johnson. Енциклопедія статистичних наук, Т. 2, John Wiley & Sons, Нью-Йорк, 1982 p., с. 29.

8 Mary Gibbons Natrella. Експериментальна статистика, Посібник NBS 91, Міністерство торгівлі США. 1963 p.

9 Stephen Wolfram. Алгебраїчне програмне забезпечення, Система математичних обчислень комп’ютером, 2-е видання, В-во «Addison Wesley Publishing Co.», Нью-Йорк, 1993 p.

10 Метод ASTM F84-93 Стандартний метод випробування для вимірювання питомого опору кремнієвих пластин лінійним чотириточковим зондом. Щорічна книга стандартів ASTM, 10.05, West Conshohocken, PA 19428.

11 Довідковий посібник з аналізу систем вимірювання. Chrysler Corp., Ford Motor Corp., General Motors Corp., 2-е видання, 1995 p., c. 120.

12 Визначення та вираження невизначеностей вимірювання, Національна конференція метрологічних лабораторій RP-12, 1994, Suite 305В, 1800 30th St., Boulder, СО 80301.

13 Міжнародний словник основних і загальних термінів (VIM). BIPM, IEC, IFCC, ISO, IUPAC, IUPAP, OIML, 2-е видання, 1993 р., с. 59.

14 ISO Guide 35 Сертифікація стандартних зразків. Загальні та статистичні принципи.

15 ISO/TS 21748 Настанова для використання оцінок повторюваності, відтворюваності та правильності під час оцінювання невизначеності вимірювання.