Измерение. Виды и методы измерений.
Вопросы
1.Измерение физических величин. Элементы процесса измерений
2. Классификация измерений
3. Методы измерений
Вопрос 1. Измерение физических величин. Элементы процесса
Измерений
Как уже говорилось выше, не каждая физическая величина может быть измерена. Сформулированы условия измеряемости величин (аксиомы или постулаты измеряемости). Измерение возможно при условиях:
возможности выделения данной величины среди других величин;
установления единицы измерений выделенной величины;
создания технического средства, воспроизводящего установленную единицу и хранящего его размер;
сохранения неизменным размера единицы (меры) в пределах установленной погрешности как минимум на срок, необходимый для данного измерения или одной серии измерений.
Измерение физической величины – совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины (СТБ П 8021–2003). В этом определении отражена техническая сторона измерений – совокупность операций с применением технических средств, и раскрыта метрологическая суть измерений – сравнение с единицей в соответствии с основным уравнением измерения.
К измерениям можно отнести также получение измерительной информации, например, при допусковом контроле по обнаружению наличия или отсутствия каких-либо свойств, так как эта процедура связана с применением технических средств.
Процесс измерения – сложный познавательный процесс, который включает в себя взаимодействие целого ряда структурных элементов, оказывающих влияние на результат измерения. К ним относятся объект и субъект измерений, принцип, метод и средство измерений, условия измерений.
Процесс измерения невозможен без объекта и субъекта измерений. Субъектом измерений является человек, который осуществляет постановку измерительной задачи, сбор и анализ априорной информации об объекте, техническую операцию измерений, обработку их результатов. От знаний, практических навыков, квалификации оператора, его психофизиологического состояния, санитарно-гигиенических условий труда зависит качество результатов измерений.
Объектом измерений является тело (физическая система, процесс, явление и т. д.), которое характеризуется одной или несколькими измеряемыми физическими величинами.
Первым начальным этапом любого измерения является постановка задачи. Задача любого измерения заключается в определении значения выбранной (измеряемой) физической величины с требуемой точностью в заданных условиях. При постановке измерительной задачи необходимо выбрать модель измерений. Моделью может служить любое приближенное описание объекта, которое позволяет выделить параметр модели, являющийся измеряемой величиной и отражающий то свойство объекта, которое необходимо оценить для решения измерительной задачи.
Таким образом, взаимодействие субъекта и объекта возможно только на основе математической модели. Модель объекта измерений должна удовлетворять следующим требованиям:
– погрешность, обусловленная несоответствием модели объекту измерений, не должна превышать 10% от предела допускаемой погрешности измерений;
– составляющая погрешности измерений, обусловленная нестабильностью измеряемых физических величин в течение времени, необходимого для проведения измерений, также не должна превышать 10% от предела допускаемой погрешности измерений.
Основная проблема – выбор таких моделей, которые бы адекватно описывали измеряемую величину данного объекта. Построение адекватной модели является сложной творческой задачей и требует высокой квалификации, опыта и практики.
Процесс измерения можно представить как преобразование (или цепочку преобразований) измеряемой физической величины в иную. Сигнал, содержащий количественную информацию об измеряемой физической величине, называемый измерительным сигналом, поступает на вход средства измерений, при помощи которого преобразуется в выходной сигнал, имеющий форму, удобную либо для непосредственного восприятия человеком, либо для последующей обработки и передачи. Конечной целью преобразования измерительной информации о физической величине является получение числа, которое определяет отношение измеряемой физической величины к единице этой величины. Выполнение измерительного преобразования осуществляется на основе выбранных физических закономерностей, которые реализуются в соответствующих технических устройствах – средствах измерений. В основе работы средства измерений заложен определенный принцип и реализуется определенный метод измерений.
Принцип измерений – физическое явление или эффект, положенное в основу измерений (измерение температуры с использованием термоэлектрического эффекта, измерение массы взвешиванием, как определение пропорциональной искомой массе силы тяжести.
Метод измерений – прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. Метод измерений обычно обусловлен устройством средств измерений.
Важнейшими факторами, влияющими на результат, являются условия измерений. Под условиями измерений понимают совокупность влияющих величин, описывающих состояние окружающей среды и средств измерений.
В соответствии с установленными для конкретных ситуаций диапазонами значений влияющих величин различают нормальные, рабочие и предельные условия измерений.
Нормальными условиями измерений являются условия, характеризуемые совокупностью значений или областей значений влияющих величин, при которых изменением результата измерений пренебрегают вследствие малости. Нормальные условия измерений устанавливаются в ТНПА на средства измерений конкретного типа или по их поверке (калибровке), а также в ТНПА на методики выполнения измерений. В нормальных условиях влияющая величина должна иметь нормальное значение или находиться в нормальной области значений.
Нормальное значение влияющей величины – это значение, установленное в качестве номинального. Например, при измерении многих величин нормальное значение температуры 20оС (293 К).
Нормальная область значений влияющей величины – область значений влияющей величины, в пределах которой изменением результата под ее воздействием можно пренебречь в соответствии с установленными нормами точности.
При нормальных условиях определяется основная погрешность средства измерений. В табл. 1. приведены номинальные значения основных влияющих величин.
Таблица 1
Номинальные значения влияющих величин
| Влияющая величина | Значение |
| 1. Температура для всех видов измерений, оС (К) | 20 (293) |
| 2. Давление окружающего воздуха для измерения ионизирующих излучений, теплофизических, температурных, магнитных, электрических измерений, измерения давления и параметров движения, кПа (мм рт. ст.) | 100 (750) |
| 3. Давление окружающего воздуха для линейных, угловых измерений, измерения массы, силы света и измерений в других областях, кроме указанных в п. 2, кПа (мм рт. ст.) | 101,3 (760) |
| 4. Относительная влажность воздуха для линейных, угловых измерений, измерений массы, измерений в спектроскопии, % | |
| 5. Относительная влажность воздуха для измерения электрического сопротивления, % | |
| 6. Относительная влажность воздуха для измерений температуры, силы, твердости, переменного электрического тока, ионизирующих излучений, параметров движения, % | |
| 7. Относительная влажность воздуха для всех видов измерений, кроме указанных в п. 4–6, % | |
| 8. Плотность воздуха, кг/м3 | 1,2 |
| 9. Ускорение свободного падения, м/с2 | 9,8 |
| 10. Магнитная индукция (Тл) и напряженность электрического поля (В/м) для измерений параметров движения, магнитных и электрических величин | |
| 11. Магнитная индукция и напряженность электрического поля для всех видов измерений, кроме указанных в п.10 | Соответствует характеристикам поля Земли |
| 12. Частота питающей сети переменного тока, Гц | 50±1% |
| 13. Среднеквадратическое значение напряжения питающей сети переменного тока, В | 220±10% |
Рабочими называются условия измерений, при которых влияющие величины находятся в пределах рабочих областей. Рабочая область значений влияющей величины – это область значений влияющей величины, в пределах которой нормируют дополнительную погрешность или изменение показаний средства измерений. Например, для измерительного конденсатора нормируют дополнительную погрешность вследствие отклонения температуры от номинального значения.
Предельными считаются условия измерений, характеризуемые экстремальными значениями измеряемой и влияющей величин, которое средство измерений может выдержать без разрушений и ухудшения его метрологических характеристик.
Завершающим этапом процесса измерений является получение результата. Результатом является значение величины, полученное путем ее измерения. Совместно с результатом оценивается и качество. До недавнего времени для оценки качества результата измерений использовались такие характеристики, как точность, правильность, достоверность, сходимость и воспроизводимость.
Точность результата измерений – одна из характеристик качества измерений, отражающая близость к нулю погрешности результата измерений. Высокая точность измерений соответствует малым погрешностям всех видов (как систематических, так и случайных). Точность категория качественная, количественно она может быть выражена обратной величиной модуля относительной погрешности. Например, при значении относительной погрешности 0,001 точность измерений будет равна 1000.
Правильность результатов измерений – качество измерений, отражающее близость к нулю систематических погрешностей в их результатах.
Достоверность результатов измерений определяется степенью доверия к результату измерения и характеризуется вероятностью того, что истинное значение измеряемой величины с определенной вероятностью находится в указанных пределах. Данная вероятность называется доверительной.
Сходимость результатов измерений – близость друг к другу результатов измерений одной и той же величины, выполненных повторно одними и теми же средствами, одним и тем же методом в одинаковых условиях и с одинаковой тщательностью.
Высокий уровень сходимости измерений соответствует малым значениям случайных погрешностей при многократных измерениях одной и той же физической величины с использованием одной методики выполнения измерений. Сходимость измерений двух групп многократных измерений может характеризоваться размахом, средней квадратической погрешностью.
Воспроизводимость измерений – близость результатов измерений одной и той же величины, полученных в разных местах, разными методами, разными средствами, разными операторами, в разное время, но приведенных к одним и тем же условиям измерений (температуре, давлению, влажности и др.).
Оценками воспроизводимости могут служить разности средних значений, разности противоположных экстремальных значений или средние квадратические погрешности сравниваемых рядов измерений.
В последнее время в связи с введением в действие новых национальных стандартов СТБ ИСО 5725–1(6)–2002 все чаще для оценки качества результатов измерений используют такие характеристики как точность, правильность и прецизионность.
Точность – близость результата измерений к принятому эталонному значению величины.
Правильность – близость среднего значения, полученного на основании большой серии результатов измерений, к принятому эталонному значению величины.
Прецизионность – близость между независимыми результатами измерений, полученными при определенных условиях (повторяемости, воспроизводимости или промежуточной прецизионности). Это общий термин для всех видов случайных погрешностей.
Повторяемость – прецизионность в условиях повторяемости (один метод, одна лаборатория, один образец, один оператор).
Воспроизводимость – прецизионность в условиях воспроизводимости (один метод, идентичные образцы, но разне лаборатории).
Промежуточная прицизионность – прецизионность в условиях промежуточной прецизионности (в одной лаборатории, но в разных условиях).
