Теоретические основы измерений
Измерение- совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, заключающаяся в сравнении (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей с целью получения значения этой величины (или информации о ней) в форме, наиболее удобной для использования.
Единица физической величины - физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное 1, и применяемая для количественного выражения однородных физических величин.
Целью измерения является получение значения этой величины в форме, наиболее удобной для практического использования.
Качество измерений - совокупность свойств измерений, обусловливающих соответствие средств, метода, методики, условий измерений требованиям измерительной задачи (по точности, технике безопасности, экологическим и иным факторам).
Единство измерений- характеристика качества измерений. Результаты из-мерений должны выражаться в узаконенных единицах, а погрешности результа-тов измерений известны с заданной вероятностью и не выходят за установленные пределы. К единству измерений относятся понятия достоверности и точности измерений.
Достоверность измерений говорит о том, что погрешность не выходит за пределы отклонений, заданных в соответствии с поставленной целью измерений.
Точность измерений характеризует степень приближения погрешности измерений к нулю, т.е. к истинному значению измеряемой величины.
Мероприятия по реальному обеспечению единства измерений в большинстве стран мира установлены законами и входят в функции законодательной метрологии.
Измерения различают:
· по способу получения информации;
· по характеру динамики измеряемой величины;
· по отношению к основным единицам измерения;
· по количеству замеров информации;
· от использованных средств измерений.
По способу получения информации измерения разделяют на прямые, косвенные, совокупные и совместные.
Прямые измерения - это непосредственное сравнение физической величины с ее мерой. Например, при определении длины предмета линейкой происходит сравнение искомой величины (количественного выражения значения длины) с мерой, т.е. линейкой.
Косвенные измеренияотличаются от прямых тем, что искомое значение величины устанавливают по результатам прямых измерений таких величин, которые связаны с искомой определенной зависимостью. Так, если измерить силу тока амперметром, а напряжение вольтметром, то по известной функциональной взаимосвязи всех трех названных величин можно рассчитать мощность электрической цепи.
Совокупные измерения сопряжены с решением системы уравнений, состав-ляемых по результатам одновременных измерений нескольких однородных вели-чин. Решение системы уравнений дает возможность вычислить искомую величину.
Совместные измерения- это измерения двух или более неоднородных физических величин для определения зависимости между ними.
По характеру динамики измеряемой величины в процессе измерений бывают статистические, динамические, динамические и статические измерения.
Статистические измерения связаны с определением характеристик случайных процессов, звуковых сигналов, уровня шумов и т.д.
Динамические измерения связаны с такими величинами, которые в процессе измерений претерпевают те или иные изменения.
Статические и динамические измерения в идеальном виде на практике редки.
По отношению к основным единицам измерения могут быть относительные и абсолютные.
Относительные измерения базируются на установлении отношения измеряемой величины к однородной величине, применяемой в качестве единицы.
Абсолютными измеренияминазывают такие, при которых используются прямое измерение одной (иногда нескольких) основной величины и физическая константа.
Основные величины не зависимы друг от друга, но они могут служить основой для установления связей с другими физическими величинами, которые называют производными от них. Основным величинам соответствуют основные единицы измерений, а производным - производные единицы измерений.
Совокупность основных и производных единиц называется системой единиц физических величин.
Наиболее широко распространена во всем мире Международная система единиц СИ, которая считается наиболее совершенной и универсальной.
По количеству замеров информации различают однократные и многократные измерения.
Однократные измерения - это одно измерение одной величины, т.е. число измерений равно числу измеряемых величин. Практическое применение такого вида измерений всегда сопряжено с большими погрешностями, поэтому следует проводить не менее трех однократных измерений и находить конечный результат как среднее арифметическое значение.
Многократные измеренияхарактеризуются превышением числа измере-ний количества измеряемых величин. Обычно минимальное число измерений в данном случае больше трех.
В зависимости от использованных средств измерений измерения классифицируют как технические и метрологические.
Технические измерения - измерения с помощью рабочих средств измерений.
Метрологические измерения - измерения при помощи эталонов и образцовых средств измерений с целью воспроизведения единиц физических величин для передачи их размера рабочим средствам измерений.
С измерениями связаны такие понятия, как «шкала измерений», «принцип измерений», «метод измерений».
Шкала измерений - это упорядоченная совокупность значений физической величины, которая служит основой для ее измерения. В метрологии шкалой называют также часть отсчетного устройства средства измерений, представ-ляющую собой упорядоченный ряд отметок, соответствующих последователь-ному ряду значений величины, вместе со связанной с ними нумерацией.
Понятие «шкала» используется в математическом смысле, т.е. как метод оценивания и сопоставления свойств различных объектов. В метрологической практике известно несколько разновидностей шкал: шкала наименований, шкала порядка, шкала интервалов, шкала отношений и др.
Шкала наименований- это своего рода качественная, а не количественная шкала, она не содержит нуля и единиц измерений. Примером может служить атлас цветов (шкала цветов). Процесс измерения заключается в визуальном сравнении окрашенного предмета с образцами цветов (эталонными образцами атласа цветов). Поскольку каждый цвет имеет немало вариантов, такое сравнение под силу опытному эксперту, который обладает не только практическим опытом, но и соответствующими особыми характеристиками зрительных возможностей.
Шкала порядка - это такой метод оценивания, при котором оцениваемые параметры, показатели или иные объекты оценивания располагаются в порядке увеличения или уменьшения значения параметра (показателя) или свойств объекта, причем способ определения порядка расположения не связан с какой-либо численной характеристикой оцениваемых объектов.
Характеристика значений измеряемой величины дается в баллах (шкала землетрясений, силы ветра, твердости физических тел и т.п.).
Шкала интервалов - это такой метод оценивания, при котором существен-ной характеристикой является разность между значениями оцениваемых параметров, которая может быть выражена числом установленных в этой шкале единиц. При этом начало отсчета может быть установлено произвольно. Примером шкалы интервалов может служить шкала температур, времени, длины.
Шкала отношений - это такой метод оценивания, при котором используется единица измерения и, следовательно, величина оцениваемого параметра может быть представлена в виде
Q = qN,
где Q — величина оцениваемого параметра;
q — единица измерения;
N — положительное действительное число, являющееся количественной характеристикой этого параметра.
Шкала отношений имеет естественное нулевое значение, а единица измерений устанавливается по согласованию. Например, шкала массы (обычно мы говорим «веса»), начинаясь от нуля, может быть градуирована по-разному в зависимости от требуемой точности взвешивания. Сравните бытовые и аналитические весы.
Шкала, в которой измеряется тот или иной показатель качества, должна учитываться при оценивании уровня качества продукции.
Принцип измерений - это совокупность физических явлений, на которых основаны измерения. Так, измерения массы основаны на использовании силы земного притяжения, измерения линейных размеров - на использовании свойств твердого тела и т.п. Принцип измерения всегда важно знать при разработке процедур поверок.
Под методом измерения понимают прием или совокупность приемов использования принципов и средств измерений.
При прямых измерениях используются следующие основные методы: непосредственной оценки, сравнения с мерой, дифференциальный, нулевой и совпадения.
При косвенных измерениях применяют преобразование измеряемой величины в процессе измерений.
По условиям измерения методы разделяются на контактный и бесконтактный.
Для большинства рабочих средств измерений применяется метод непосредственной оценки, а для целей метрологических поверок средств измерений - дифференциальный метод.
Средства измерений
Средство измерений - это техническое средство (комплекс технических средств), используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические характеристики.
С точки зрения метрологического назначения, средства измерений подразделяются на два класса - рабочие и эталоны.
Рабочие средства измерений предназначены для технических измерений, их применяют для определения параметров (характеристик) технических устройств, технологических процессов, окружающей среды и др. Могут быть лабораторными (для научных исследований), производственными (для обеспечения и контроля заданных характеристик технологических процессов), полевыми (для самолетов, автомобилей, судов и т.п.). Каждый из этих видов рабочих средств отличается особыми показателями.
Эталон- это высокоточная мера, предназначенная для воспроизведения и хранения единицы величины с целью передачи ее размера другим средствам измерений. От эталона единица величины передается разрядным эталонам, а от них - рабочим средствам измерений.
Эталоны классифицируют на первичные, вторичные и рабочие.
Первичный эталон - это эталон, воспроизводящий единицу физической величины с наивысшей точностью, может быть национальным (государственным) и международным.
Международные эталоны хранит и поддерживает Международное бюро мер и весов (МБМВ). Важнейшая задача деятельности МБМВ состоит в системати-ческих международных сличениях национальных эталонов крупнейших метроло-гических лабораторий разных стран с международными эталонами, а также и между собой.
Первичному эталону соподчинены вторичные и рабочие (разрядные) эталоны.
Эталонная база России представляет собой совокупность первичных и вторичных эталонов, а также исходных установок высшей точности для воспроизведения единиц физических величин.
К средствам измерений относятся:
· меры;
· измерительные преобразователи;
· измерительные приборы;
· измерительные установки и системы;
· измерительные принадлежности.
Меройназывают средство измерения, предназначенное для воспроизведения физических величин заданного размера. К данному виду средств измерений относятся гири, концевые меры длины и т.п. На практике используют однозначные и многозначные меры, а также наборы и магазины мер.
Однозначные меры воспроизводят величины только одного размера (гиря).
Многозначные меры воспроизводят несколько размеров физической величины. Например, миллиметровая линейка дает возможность выразить длину предмета в сантиметрах и в миллиметрах.
Набор мер представляет собой комплект однородных мер разного размера, что дает возможность применять их в нужных сочетаниях, например, набор лабораторных гирь.
Магазин мер - сочетания мер, объединенных конструктивно в одно механическое целое, в котором предусмотрена возможность посредством ручных или автоматизированных переключателей, связанных с отсчетным устройством, соединять составляющие магазин меры в нужном сочетании. По такому принципу устроены магазины электрических сопротивлений.
Измерительный преобразователь - это средство измерений, которое служит для преобразования сигнала измерительной информации в форму, удобную для обработки или хранения, а также передачи в показывающее устройство.
Преобразователи подразделяются на:
· первичные - непосредственно воспринимающие измеряемую величину;
· передающие, на выходе которых величина приобретает форму, удобную для регистрации или передачи на расстояние;
· промежуточные, работающие в сочетании с первичными и не влияющие на изменение рода физической величины.
Измерительные приборы - это средства измерений, которые позволяют получать измерительную информацию в форме, удобной для восприятия пользователем. Различаются измерительные приборы прямого действия и приборы сравнения.
Приборы прямого действия отображают измеряемую величину на показывающем устройстве, имеющем соответствующую градуировку (амперметры, вольтметры, термометры).
Приборы сравнения предназначаются для сравнения измеряемых величин с величинами, значения которых известны. Такие приборы широко используются в научных целях, а также и на практике для измерения таких величин, как яркость источников излучения, давление сжатого воздуха и др.
Измерительные установки и системы - это совокупность средств измерений, объединенных по функциональному признаку со вспомогательными устройствами, для измерения одной или нескольких физических величин объекта измерений. Такие установки (системы) используют и для контроля (например, производственных процессов), что особенно актуально для метода статистического контроля.
Измерительные принадлежности— это вспомогательные средства измерений величин. Они необходимы для вычисления поправок к результатам измерений, если требуется высокая степень точности. Например, термометр может быть вспомогательным средством, если показания прибора достоверны при строго регламентированный температуре; психрометр - если строго оговаривается влажность окружающей среды.