Под принципом измерений подразумевают совокупность физических явлений, на которых основаны измерения. Например, измерение температуры с использованием термоэлектрического эффекта, измерение расхода жидкостей или газов в трубопроводе по перепаду давления в дроссельном устройстве.
Методы измерения представляют собой совокупность приемов, принципов и средств измерения. В современной метрологии различают следующие основные методы.
Метод непосредственной оценки заключается в определении значения измеряемой величины непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора. Этот метод характеризуется прямым преобразованием значения измеряемой величины в выходное значение величины, показываемое или записываемое прибором. Примерами этого метода могут служить измерения давления пружинным манометром, силы электрического тока амперметром.
М етод сравнения основан на сравнении измеряемого значения величины со значением величины, воспроизведенной мерой. Метод сравнения включает в себя следующие методы.
Дифференциальный метод, заключающийся в таком сравнении с мерой, при котором на измерительный прибор воздействует разность между измеряемой величиной и известной величиной, воспроизводимой мерой. В качестве примера можно привести измерения, выполняемые при поверке мер длины сравнением с образцовой мерой на компараторе (прибор для сравнения измеряемых величин).
Нулевой (компенсационный) метод, заключающийся в сравнении с мерой, при котором результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводится до нуля. В качестве примера этого метода можно привести измерения электрического сопротивления мостом с полным его уравновешиванием.
Метод замещения основан на сравнении с мерой, когда измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой. Например, взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашку весов.
Метод совпадений также основан на сравнении с мерой; причем разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой,измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодическихотметок. Примером может служить измерение длины штангенциркулем с нониусом. При измерении наблюдают совпадение отметок на шкалах штангенциркуля и нониуса. Вторым примером применения этого метода может быть измерение частоты вращения стробоскопом. При этом наблюдают совпадение положения какой-либо метки на вращающемся диске в моменты вспышек известной частоты.
Качество измерений принято характеризовать погрешностями.
Погрешность — оценка отклонения результата измерения от истинного значения измеряемой величины.
На рис.1 приведена классификация погрешностей измерительных устройств по ряду признаков.
По характеру проявления при повторных измерениях одного и того же значения физической величины принято выделять систематическую и случайную погрешности.
Систематическая погрешность — составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же величины.
Выявление и оценка систематических погрешностей являются наиболее трудоемким моментом любого измерения и часто связаны с необходимостью проведения исследований. Обнаруженная и оцененная систематическая погрешность исключается из результата введением поправки. В зависимости от причины возникновения различают следующие систематические погрешности.
Погрешность метода (теоретическая погрешность) измерений составляющая погрешности измерения, обусловленная несовершенством метода измерений. Здесь необходимо учитывать тот факт, что метод измерения, по определению, включает в себя и принцип измерения. Рассматриваемая погрешность определяется в основном несовершенством принципа измерения и, в частности, недостаточной изученностью явления, положенного в основу измерения.
Инструментальная погрешность измерения — составляющая погрешность измерения, зависящая от погрешности применяемых средств измерений. Данная погрешность имеет несколько составляющих, наиболее важные из которых определяются несовершенством конструкции (или схемы), технологии изготовления средств измерений, постепенным их износом и старением материалов, из которых эти средства измерений изготовлены.
Погрешность установки является следствием неправильности установки средств измерений.
Погрешность от влияющих величин является следствием воздействия на объект и средством измерений внешних факторов (тепловых и воздушных потоков, магнитных, электрических, гравитационных и других полей, атмосферного давления, влажности воздуха, ионизирующего излучения).
Субъективная погрешность обусловлена индивидуальными свойствами человека, выполняющего измерения. Причиной ее являются укоренившиеся неправильные навыки выполнения измерений. К этой систематической погрешности относятся, например, погрешность из-за неправильного отсчитывания десятых долей делений шкалы прибора, погрешности из-за разной у различных людей скорости реакции и т. п.
По характеру проявления систематические погрешности подразделяют на постоянные и переменные.
Постоянные погрешности не изменяют своего значения при повторных измерениях. Причинами этих погрешностей являются: неправильная градуировка или юстировка средств измерений, неправильная установка начала отсчета и т.д.
Переменные погрешности при повторных измерениях могут принимать различные значения. Если переменная погрешность при повторных измерениях возрастает или убывает, то ее называют прогрессивной. Переменная погрешность может изменяться при повторных измерениях периодически или по сложному закону.
Причинами возникновения переменной систематической погрешности являются: действие внешних факторов и особенности конструкций средств измерений.
Случайная погрешность измерения — составляющая погрешности измерения, изменяющаяся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины.
Случайная погрешность определяется факторами, проявляющимися нерегулярно с изменяющейся интенсивностью. Значение и знак случайной погрешности определить невозможно, так как в каждом опыте причины, вызывающие погрешность, действуют неодинаково. Случайная погрешность не может быть исключена из результата измерений. Однако проведением ряда повторных измерений и использованием для их обработки методов математической статистики определяют значение измеряемой величины со случайной погрешностью, меньшей, чем для одного измерения.
Кроме этой погрешности могут иметь место грубые погрешности и промахи.
Грубой погрешностью называют погрешность измерения, существенно превышающую ожидаемую при данных условиях. Причинами грубых погрешностей могут являться неисправность средств измерений, резкое изменение условий измерений и влияющих величин.
Промах — погрешность измерения, которая явно и резко искажает результат.Промах является случайной субъективной ошибкой. Его появление — следствие неправильных действий экспериментатора.
Грубые погрешности и промахи обычно исключаются из экспериментальных данных, подлежащих обработке.
Отдельное значение случайной погрешности предсказать невозможно. Совокупность же случайных погрешностей какого-то измерения одной и той же величины подчиняется определенным закономерностям, которые являются вероятностными. Они описываются в метрологии с помощью методов теории вероятностей и математической статистики. При этом физическую величину, результат измерения которой содержит случайную погрешность, и саму случайную погрешность рассматривают как случайную величину.
