MHJ 1 - Textilní metrologie

1. MHJ 1- Textilní metrologie Dana Křemenáková Jiří Militký Katedra materiálového inženýrství Technická Univerzita v Liberci Zelené nadpisy-opakování pojmů

2. Předmět metrologie Metrologie nauka, která se zabývá měřením a jeho vyhodnocením • Teorie měření – obecné postupy a filosofie • Chyby měření – typy, modely • Měřící přístroje – přesnost, správnost, kalibrace, – porovnání měření z více přístrojů • Návrh experimentů – plánování experimentů, třídění, analýza rozptylu • Zpracování výsledků – filtrace, komprese, analýza jedno a vícerozměrných dat, kalibrace interpretace výsledků

3. Metrologické instituce I

4. Metrologické instituce II

5. “In theory, reality and theory are the same. In reality, they are not.” Metody poznání • Tradice - Zde se lidé drží pravdy, o níž vědí, že je pravdou, protože se jí drží, poněvadž ji vždy znají jako pravdu. Současné poznatky ukazují, že lidé často lpí na svých názorech i tváří v tvář jasně odporujícím faktům. • Autorita - Metoda pevně stanoveného názoru podpořená autoritou. Tato metoda má přednost před metodou tradice, protože lidského pokroku, byť i pomalého, lze jejím aplikováním dosáhnout. • Intuice (metoda a priori) - Důvodem její nadřazenosti je zřejmost předpokladu, že tvrzení, akceptovaná "aprioristy", jsou "ve shodě s rozumem". Tato tvrzení jsou "v souladu s rozumem" a ne nutně se zkušeností. • Věda - Vědecký přístup má vlastnost, kterou nemá žádná jiná metoda získávání poznání: sebe korekci. Spolehlivějšího poznání se dosahuje pomocí vědy, protože věda se nejvíc dovolává důkazu: tvrzení jsou podrobována empirickému ověřování.

6. Soudobá věda • Základní představou je, že skutečnost, realita má svou hlubinnou strukturu, která určuje chování předmětů a působení sil a která není na první pohled postižitelná, zjevná. Úkolem poznání je odhalit tyto skryté vrstvy, vytvořit teorii, která by vysvětlovala i sféru vnímatelného a pozorovatelného. Tato představa je běžně chápána jako cesta dosahování vědecké pravdy. • Z druhé strany však má tento přístup i určitá omezení, která vyplývají z nebezpečí libovolného počtu hlubších úrovní, postulování tzv. "skrytých" parametrů a nových teoretických entit, představujících v podstatě vysvětlení pomocíhypotézy ad hoc. • V současné vědě je postulována zásada zachování jevů, což v podstatě znamená formulování teorií, které by neodporovaly intuitivním představám o jevech. V experimentálních vědách je to požadavek, aby vědecké teorie nebyly ve sporu s pozorováním.

7. Data a věda Data nejsou prioritní vzhledem ke všem teoretickým předpokladům, ale spíše existuje symbióza mezi teorií a daty. Teorie má hlavní úlohu v určování: • co může být měřeno nebo jinak pozorováno především jako data • která data jsou relevantní • jak jsou výsledky měření zpracovávány • jak jsou data interpretována • jak jsou interpretovaná data legitimně používána při konstrukci a konfirmaci teorií V typických případech jsou některé teoretické předpoklady dostatečně dobře stanoveny, ale vždy vzniká nutnost určitých dodatečných předpokladů, které mohou být naopak podporovány daty.

8. Měření • Měření je přiřazování čísel (číslic) k atributům objektů, osob nebo jevů podle jistého klasifikačního pravidla pravidla (spolehlivost a správnost pravidla musí být ověřitelná). • Čísla přiřazená k objektům/jevům musí odrážet vztahy mezi nimi [izomorfismus (stejnorodost) - vztah mezi objekty, který v nějakém smyslu ukazuje shodnost jejich struktury] • Škálovací pravidlo představuje systematický vztah mezi dvěma systémy: systémem reálných čísel a datovým systémem f = {(x, y); x = nějaký objekt, y = číslo} "Funkce f nebo pravidlo shody je rovna množině uspořádaných párů (x, y), v nichž x je objektem a každé odpovídající y je číslem." (a = b) nebo (a # b), [ a= b) a (b = c)], pak (a = c). [a > b) a (b > c)] pak (a > c).

9. Základní pojmy I Kalibrace - vytvoření vztahu mezi požadovanou veličinou (špatně měřitelná) a měřenou veličinou, (snadno měřitelná). Dvě fáze: vytvoření modelu, ověření modelu. • Adjustace - nastavení přístroje tak, aby měřil správně (pomocí etalonů, testů atd.) • Zkoušení - konkrétní činnost směřující k poznání vlastností materiálů a výrobků • Certifikace - písemné úřední ověření nebo osvědčení (ověření shody) osvědčení pomocí certifikátu, že výrobek nebo služba jsou ve shodě s požadavky určitých norem nebo technických podmínek • Zabezpečování jakosti - dle ISO, ASME atd. • Auditorství - činnost, při které se ověřuje schopnost (způsobilost) vykonávat určitou práci

10. Základní pojmy II Q TQ • Akreditace - oficiální uznání, že zkušební nebo kalibrační laboratoř, certifikační orgán nebo inspekční orgán jsou způsobilé provádět určité zkoušky nebo určité druhy zkoušek, kalibrační, certifikační nebo inspekční činnosti • Akreditační orgán - řídící orgán spravující systém akreditace a udělující akreditace v příslušné zemi jeden stát - jeden akreditační orgán (ČIA - Český institut pro akreditaci) • Ověřování - potvrzení zkoumáním a poskytnutím objektivního důkazu, že specifikované požadavky byly splněny (v laboratoři verifikace způsobilosti zkušební techniky) • Validace - potvrzení platnosti zkoumáním (potvrzení souhlasu s postupem prováděné zkoušky)

11. Standardy měření

12. Základní jednotky SI Délka – 1 m je 10-7 vzdálenost mezi severním polem a rovníkem 1 m je vzdálenost mez značkami platino-iridiové tyče Dnes: 1 m je vzdálenost, kterou urazí světlo za 1/299 792 458 vteřin Hmotnost- 1 kilogram (kg) Standardní kilogram je blok platinum-iridia uložený v Severs Čas - 1 vteřina (s) 1 s = 9 192 631 770 oscilací světla emitovaného atomy Cesia 133

13. Prototypy základních jednotek SI

14. Normy

15. Normy – instituce a úřady

16. Měřicí přístroje Čidlo (princip, auto diagnostika,) Zesílení (signál, regulační zásahy) Přenos (sběr dat, kalibrace) Signálkalibrace azpracování Senzor Fyzikálníproměnná

17. Textilní metrologie • Standardně, jádrem je realizace měření : • Návrh experimentu • Realizace experimentu • Vyhodnocení experimentu • Interpretace výsledků Nové cíle: Komplexní jakost (produkty, procesy) Řízení procesů Projektování výrobků Předpovídání a optimalizace průmysl laboratoře obchod

18. Textilní normy – přehled I

19. Textilní normy – přehled II

20. Vitruvian man metrology

21. Technický experiment Skládá ze čtyř etap: • návrh experimentu • provedení experimentu • ze zpracování dat • interpretace výsledků. Nejslabším článkem je stále úroveň zpracování dat. Výsledky jsou často ve formě neúplných nebo nepřímých informací, např. kvalita a koncentrace částice je monitorována jejím spektrem.

22. Úrovně měření

23. Konstanty A, BE(AX ± B) = A E(X) ± B Vlastnosti stupnic Konstanty A, BD(AX ± B) = A 2D(X)

24. Omezení stupnic měření

25. Škály

26. NevychýlenáVychýlená Výsledky měření • Přesnost, reprodukovatelnost, opakovatelnost (Precision) • Správnost, nevychýlenost (Accuracy) • Žluté – výběry • Zelená – celkový průměr Nepřesná Přesná SprávnáNesprávná

27. Vhodný počet měření Statistickákritéria Přesnost měření Součet náhodných veličin Přiblížení k normalitě

28. Opakovatelnostvs. reprodukovatelnost Celkový průměr a rozptyl • Opakovatelnost s2o (Repeatability) vyjadřuje variabilitu způsobenou přístrojem. Měří se jako variabilita opakovaných měření prováděných jedním operátorem na témže přístroji. • Reprodukovatelnost s2r (Reproducibility) vyjadřuje variabilitu způsobenu operátory.Měří se jako variabilita opakovaných měření prováděných různými operátory na témže přístroji • Počet operátorů j = 1..m, počet vzorků i = 1..n. Výsledek měření xij Průměr j tého operátora Reprodukovatelnost Opakovatelnost

29. Opakovatelnostvs. reprodukovatelnost limitní • Opakovatelnost – hodnota pod kterou leží absolutní hodnota rozdílu mezi dvěma výsledky měření získanými za stejných podmínek se zadanou pravděpodobností (0.95). • Reprodukovatelnost– hodnota pod kterou leží absolutní hodnota rozdílu mezi dvěma výsledky měření prováděnými na stejných typech přístroje různými operátory v různých laboratořích získanými na stejném vzorku za stejných podmínek se zadanou pravděpodobností (0.95). s2w Rozptyl v rámci laboratoře: Často se předpokládá stejný Rozptyl mezi laboratořemi: s2L Opakovatelnost Reprodukovatelnost

30. Typy chyb

31. Teorie chyb • Relace vstup výstup měřítko přesnosti měření P měřítko správnosti S

32. Typy odchylek • Absolutní odchylka • Relativní odchylka Obecně: korelační koeficient . .systematická odchylka . . náhodná odchylka . .„přesnost“ přístroje, limitní

33. Vyjadřuje třídu přesnosti přístroje Aditivní chybyI • Chyby nulové hodnoty xL . . . dolní limita pracovního intervalu xU . . . horní limita pracovního intervalu R . . . pracovní rozmezí xu - xL  Redukovaná relativní odchylka

34. Aditivní chyby II • Práh citlivosti: vstupní hodnota xc, pro kterou je  = 1 (100%) Chceme malé hodnoty  pro malé x (p  0.1 (0.05)). Spodní mez pracovního intervalu Omezené použití přístrojů ( jen pro velká x)!

35. Multiplikativní chyby • (nekonstatní přesnost)Chyby citlivosti: Třída přesnosti Mezní přesnost Absolutní odchylka

36. Kombinovanéchyby Třída přesnosti P1/P2:

37. Druhyodhadů chyb měření I

38. Druhyodhadů chyb měření II

39. Sčítání kvantilových chyb Pro řadu rozdělení platí Pro sčítání kvantilových chyb pak je Obecné kvantilové chyby g2 je špičatost daného rozdělení. Kvantilové chyby však nelze obecně sčítat

40. Celková chyba měření Šíření chyb měření a) nezávislé chyby b) lineárně závislé chyby

41. Dilema chyb Nejistota měřeníMíra toho do jaké míry je možné odhadnout skutečnou hodnotu měřené veličiny. (u chyb měření se naopak hodnotí jak přesně lze skutečnou hodnotu měřené veličinyodhadnout) Definice ‘chyby měření’:hodnota měřené veličiny mínus referenčníhodnota “nepoznatelná” chyba:referenční hodnota je skutečná hodnota měřenéveličiny(ta není známa a nelze ji přiřadit chybě měření)“poznatelná” chyba (měření) :referenční hodnota má známou velikost – např. standard(je možné ji přiřadit chybě měření)

42. Chyba kalibrace Kalibrované závaží Nepoznatelná chyba PDF kalibrace

43. Chyba odečtu - vážení závaží mi odečtené hodnoty na dané váze Chyba vážení ev ev = mi- mkalib Poznatelná chyba váha

44. Interpretace nepřesnosti Hmotnost = 50 ± 5 g Co znamená ± 5 ? • Odhad rozmezí experimentátorem • Polovina vzdálenosti mezi dílky stupnice • Výběrová směrodatná odchylka :  • Směrodatná odchylka průměru: m = /n • 95% nebo 99% interval spolehlivosti • Interval ± 2 nebo ± 3) • Standardní nejistota: u • Kombinovaná standardní nejistota: uc

45. Motto:„The only relevant thing is uncertainty - the extent of our knowledge and ignorance.“ [ Bruno deFinneti ] Nejistotyměření • Hlavním cílem měření je kvantifikace měřených proměnných a odhad jejich nejistoty související s: principem měření, měřicím zařízením, operátorem, variabilitou měřeného materiálu, podmínkami okolí atd. • Výsledky měření slouží k odhadu neznámé střední hodnotyměřené veličiny x a její nejistoty související s modelem měření a externími vlivy. • Ve statistickém smyslu (kdy je pravděpodobnost chápána jako limita relativní četnosti) je nejistota vyjádřena jako interval spolehlivosti parametru. • V metrologickém smyslu (kdy je pravděpodobnost vyjádřena jako míra důvěry-víry) se nejistota vyjadřuje spíše jako nedostatek (omezení) znalostí než jako výsledek opakovaných měření.

46. Základní pojmy

47. Metrologie • Odhad střední hodnoty • Odhad nejistot A, B • Odhad kombinované nejistoty • Odhad rozšířeně nejistoty Přímá měření Statistická analýza Obecně Střední kvadratická chyba

48. Nejistoty typu A Střední hodnota

49. Nejistoty typu B (1)

50. Nejistoty typu B (2)