Классификация и основные характеристики измерений

Основные определения теории измерений

Измерение— это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.

Это определение содержит четыре признака данного понятия:

1. Измерять можно только физические величины (т. е. свойства материальных объектов, явлений или процессов). Поэтому социологические, экономические, психологические, филологические и другие количественные оценки нефизических величин остаются за пределами метрологии.

2. Измерение — это оценивание величины опытным путем, т. е. это всегда эксперимент. Следовательно, измерением нельзя называть расчетное определение величины по формуле и известным исходным данным, статистическую оценку показателей качества изделия на основании социологического исследования и другие подобные процедуры.

3. Измерение осуществляется с помощью специальных технических средств — носителей размеров единиц или шкал, называемых средствами измерений. Следовательно, под это определение непопадают другие способы оценивания, не использующие технические средства (в частности, органолептические и экспертные способы оценивания).

Необходимо отметить, что широкое распространение аналитических измерений и повышение значимости этой области измерений привело к необходимости расширения трактовки этого признака. Многие аналитические измерения проводятся путем выполнения последовательности операций, среди которых операция применения средства измерений является, с точки зрения точности результата, далеко не определяющей. Например, лабораторные измерения показателей качества газа, находящегося в газопроводе, включают следующие обязательные операции:

· отбор пробы,

· доставка пробы в лабораторию,

· подготовка пробы,

· измерение.

Качество выполнения каждой из этих операций влияет на точность измерения, ошибка при выполнении любой из них может быть решающей.

Жесткие правила проведения этих операций излагаются в метрологическом документе, называемом методикой выполнения измерений (МВИ). По аналогии с медицинской терминологией можно сказать, что МВИ — это «пропись» процедур измерения, которая должна соблюдаться самым неукоснительным образом. Очевидно, что в таких измерениях не столько средство измерений, сколько МВИ в целом играет решающую роль в обеспечении необходимой точности измерений. Поэтому в таких случаях под «специальным техническим средством» логично понимать МВИ в целом (включая и применяемые в ней средства измерений).

4. Измерение — это определение значения величины. Следовательно, измерение — это сопоставление величины с ее единицей или шкалой. Такой подход выработан практикой измерений, исчисляемой сотнями лет. Он вполне соответствует содержанию понятия «измерение», определенному более 200 лет назад великим математиком Л. Эйлером: «Невозможно определить или измерить одну величину иначе, как приняв в качестве известной другую величину этого же рода и указав соотношение, в котором она находится к ней».

Метод и методика измерений

Решение любой измерительной задачи связано с реализацией того или иного принципа измерений.

Принцип измерений— физическое явление или эффект, положенный в основу измерений тем или иным средством измерений.

Примерами принципов измерений являются:

• применение эффекта Джозефсона для измерений электрического напряжения;

• применение эффекта Доплера для измерения скорости;

• использование силы тяжести при измерении массы взвешиванием;

• зависимость сопротивления платины от температуры, реализованная в платиновых термометрах сопротивления;

• зависимость термоЭДС от разности температур, реализованная в термоэлектрических термометрах.

Однако выбором принципа измерений не исчерпывается определение метода измерений. Это гораздо более общее понятие, описывающее способ решения поставленной задачи. Оно определяется следующим образом.

Метод измерений— прием или совокупность приемов сравнения измеряемой величины с ее единицей или шкалой в соответствии с реализованным принципом измерений.

Методы измерений весьма разнообразны. Их можно классифицировать по различным признакам.

Первый из них используемый физический принцип. По нему методы измерений разделяют на оптические, механические, акустические, электрические, магнитные и так далее.

В качестве второго признака классификации используют режим изменения во времени измерительного сигнала. В соответствии с ним все методы измерений разделяют на статические и динамические.

Третий признак — способ взаимодействия СИ и объекта измерений. По этому признаку методы измерений разделяют на контактные (измерительный элемент СИ находится в контакте с объектом измерений) и бесконтактные (чувствительный элемент СИ не находится в контакте с объектом измерений).

Четвертый признак - применяемый в СИ вид измерительных сигналов. В соответствии с ним методы разделяют на аналоговые и цифровые.

Приведенную классификацию можно развивать и далее. Однако более общей является метрологическая классификация методов измерений, под которой понимается классификация по способу сравнения измеряемой величины с единицей. По этому признаку все методы измерений разделяют на два метода:

• метод непосредственной оценки (измеренное значение наблюдают непосредственно по шкале устройства СИ, например, по часам, амперметру);

• метод сравнения с мерой ( значение измеренное сравнивают с величиной, производимой мерой, как пример, измерение на весах рычажных массы).

Метод сравнения с мерой имеет ряд разновидностей: дифференциальный метод, метод замещения, метод дополнения и метод совпадений.

Дифференциальный метод— метод измерений, при котором измеряется разность между измеряемой величиной и однородной величиной, имеющей известное значение, незначительно отличающееся от значения измеряемой величины.

Примером дифференциального метода является поверка мер длины сличением с эталонными мерами на компараторе (приборе, предназначенном для сравнения мер). При этом методе производится неполное уравновешивание измеряемой величины Х величиной Хм, воспроизводимой мерой, и определение их разности ∆Х. Следовательно, результат измерений равен X= ХМ + ∆Х. Дифференциальный метод позволяет существенно повысить точность измерений. Например, если ∆Х = 0,01Х и относительная погрешность измерения ∆Х составляет 1 %, то относительная погрешность результата измерений X равна 0,01 % (если не учитывать погрешность меры).

Частным случаем дифференциального метода является нулевой метод измерений — метод измерений, где в результате эффект действия измеряемой величины и меры на компаратор доводят до нуля. Здесь значение измеряемой величины равняется значению, которое воспроизводит мера. Примерами нулевого метода являются: взвешивание массы на весах с помощью набора гирь; измерение электрического напряжения уравновешенным мостом.

Дифференциальный метод обеспечивает снижение погрешности измерений. Для борьбы с систематическими погрешностями полезен метод замещения. Метод замещения - метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают величиной, воспроизводимой мерой. Поскольку эти измерения делают одним прибором в одинаковых условиях, систематическая погрешность измерений может быть в значительной степени скомпенсирована. Например, существенная составляющая погрешности измерений массы на весах рычажных - погрешность от неравноплечести весов — может быть исключена из результата измерений, если измерения проводить по методу Борда, взвешиванием с помещением по очереди измеряемой массы и гирь на одну чашку весов.

В некоторых измерительных задачах удобно применение других разновидностей метода сравнения с мерой: метода дополнения и метода совпадений. Метод дополнения — метод сравнения с мерой, при котором измеряемая величина дополняется мерой так, чтобы на СИ сравнения действовала их сумма, которая будет равна заранее известному значению. Например, иногда может быть более точным измерение массы, при котором уравновешивают гирю, значение которой известно с высокой точностью, измеряемой массой и набором более легких гирь, помещенными на другую чашку весов.

Метод совпадений - метод измерений, при котором определяют разность между измеряемой величиной и величиной воспроизводимой мерой, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов. Примером этого метода является измерение длины при помощи штангенциркуля с нониусом. Метод совпадений часто применяется при измерениях параметров периодических процессов.

Методикой выполнения измерений (МВИ) называют регламентированную сумму действий и правил, исполнение которых при измерении обеспечивает получение необходимых результатов измерений в соответствии с избранным методом. МВИ включает требования к выбору СИ, регламентацию процедуры подготовки СИ к выполнению работы, требования к условиям измерений, регламентацию процедуры. Проведения измерений и исследования результатов измерений, в том числе оценку их точности. МВИ аналитических измерений включает также требования к отбору пробы, ее хранению и транспортировке в измерительную лабораторию, подготовке пробы к измерениям.

Унификация МВИ имеет огромный вес в реализации единства измерений. Поэтому МВИ повторяющихся измерений обычно регламентируется каким-либо нормативным документом.

Классификация и основные характеристики измерений

Классификация измерений:

1. По признаку точности — равноточные и неравноточные измерения.

Равноточные измерения— определенное количество измерений любой величины, произведенных аналогичными по точности средствами измерений в одинаковых условиях.

Неравноточные измерения— определенное количество измерений любой величины, произведенных отличными по точности средствами измерений и (или) в различных условиях.

Методы обработки равноточных и неравноточных измерений несколько отличаются. Поэтому перед тем как начать обработку ряда измерений, обязательно нужно проверить, равноточные измерения или нет.

Это осуществляется с помощью статистической процедуры проверки по критерию согласия Фишера.