Измерение подразумевает нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств с учетом экспериментального сравнения данной физической величины с однородной (одноименной) физической величиной, значение которой принято за единицу.
Измерение - это процесс получения информации, заключающийся в сравнении опытным путем измеряемых и известных величин или сигналов, выполнении необходимых логических операций и представлении информации в числовой форме. Суть измерений в метрологии состоит в определении соотношения между измеряемой величиной и ее единицей.
Понятие измерения отражает следующие его особенности (свойства):
Измерению поддаются только свойства материальных объектов;
Измерения осуществляются только с помощью технических средств, содержащих единицу измерения;
Измерить объект возможно только практическим путем (это- экспериментальный процесс, невозможно провести измерение теоретическим или расчетным путем);
Результат измерения - это значение физической величины.
Для успешного прохождения измерительного процесса необходимо обеспечить:
Возможность установления единицы, необходимой для измерения выделенной величины;
Возможность выделения измеряемой величины среди других величин;
Возможность воспроизведения и хранения установленной единицы техническим средством;
Возможность сохранения неизменным размера единицы, по меньшей мере, на срок, необходимый для проведения измерений.
Это значит, что помимо перечисленных выше свойств измерение представляет собой информационный процесс. Измерительная информация используется либо человеком-оператором, либо автоматизированной системой, осуществляющей обработку, хранение и передачу этой информации.
Существует еще одно определение понятия измерения. Измерение - получение числового значения физической величины, характеризующей свойства физического объекта, опытным путем, удовлетворяющим требованиям системы обеспечения единства измерений, которая основывается на сравнении аналоговой величины с образцовой. В этом определении внимание акцентируется на сравнении и удовлетворении требованиям системы единства измерений.
Измерить можно не только физические величины, но и функциональные зависимости, характеризующие свойства объекта измерения, а также случайные величины. С целью определения значения оценки той или иной вероятностной характеристики проводятся статистические измерения, при которых входное воздействие рассматривается как реализация случайного процесса.
Виды измерений:
Метрологическими измерениями называют такие, которые проводятся при помощи эталонов и образцовых средств с целью нововведения единиц физических величин или передачи их размеров рабочим средствам. Суть измерений в метрологии состоит в определении соотношения между измеряемой величиной и ее единицей.
Абсолютные измерения основаны на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и использовании значений физических констант.
Относительные измерения основаны на отношении величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или изменении величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.
Равноточными и неравноточными называются измерения одинаковыми или разными по точности средствами измерений.
Измерительным экспериментом называют научно обоснованный опыт для получения количественной информации с требуемой или возможной точностью определения результата измерений.
Измерительная информационная система - совокупность средств измерений (СИ) и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи и предназначенных для получения измерительной информации, доступной для наблюдения, обработки и управления объектами.
Метрологическими характеристиками называют характеристики свойств СИ, оказывающие влияние на результат измерения и его погрешность. Они бывают двух видов:
- нормируемые - устанавливаются нормативно-техническими документами: ГОСТ, ТУ, паспорт;
- действительные - определяются экспериментально.
Номенклатура характеристик регламентируется ГОСТом 8.009-84 «ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений». В нем даны указания по выбору метрологических характеристик конкретных СИ и критерии целесообразности основных составляющих погрешности. ГОСТ 8.009-84 адаптирован к международным требованиям.
Метрологические характеристики делится на следующие группы:
свойства, которые определяют область применения СИ: диапазон измерений
и порог чувствительности.
Диапазон измерений - это ограниченное пределом значение величины, в рамках которого нормируются допуски пределов погрешности.
Различают:
Нижний предел измерений (ограничение снизу и слева);
Верхний предел измерений (ограничение сверху и справа).
Порог чувствительности - минимальное изменение измеряемой величины,
вызывающее заметное изменение выходного сигнала.
свойства, которые определяют качество измерения: точность, сходимость и
воспроизводимость измерений.
Точность - максимально близкий к истинному значению измеряемой величины результат измерений. Чем выше точность измерений, тем меньше систематические и случайные погрешности.
Сходимость -отражает близость друг другу результатов измерений, которые выполняются в одних и тех же условиях, тем же СИ и тем же оператором.
Воспроизводимость-отражает близость друг к другу результатов измерений, которые выполняются в различных условиях - в разное время, в других местах, различными методами и СИ.
Метрологические характеристики СИ служат для :
Оптимального выбора СИ (обеспечивающих требуемое качество измерений при известных условиях их применения);
Расчета метрологических характеристик каналов измерительных систем, (состоящих из ряда СИ с известными метрологическими характеристиками);
Определения результатов измерений и расчета погрешности измерения;
Сравнения СИ, учитывая условия их применения.
Номенклатура нормируемых метрологических характеристик СИ определяется назначением, условиями эксплуатации и многими другими факторами. Нормы на основные метрологические характеристики приводятся в эксплуатационной документации на СИ. При измерениях высокой точности необходим учет всех нормируемых характеристик. В повседневной практике пользуются такой характеристикой, как класс точности.
Класс точности - это обобщенная характеристика, выражаемая пределами допускаемых погрешностей, а также другими характеристиками, влияющими на точность. Для каждого класса точности устанавливаются конкретные требования к метрологическим характеристикам, в совокупности отражающим уровень точности средств измерения данного класса. Класс точности обо значается прописными буквами латинского алфавита. Классам точности, которым соответствуют меньшие пределы допускаемых погрешностей, присваиваются начальные буквы алфавита. Обозначения класса точности наносятся на циферблаты, щитки и корпуса средств измерения.
Средствам измерения, имеющим несколько диапазонов измерений одной и той же физической величины или предназначенным для измерений разных физических величин, могут быть присвоены различные классы точности для каждого диапазона или для каждой измеряемой величины.
Классы точности присваиваются при разработке средств измерения, по результатам приемочных испытаний. При эксплуатации метрологические характеристики ухудшаются, поэтому по результатам поверки допускается понижать класс точности.
При использовании СИ важно знать степень соответствия информации об измеряемой величине, содержащейся в выходном сигнале, ее истинному значению. Поэтому для каждого СИ вводятся и нормируются определенные метрологические характеристики.
При разработке принципов выбора и нормирования СИ придерживаются следующих положений:
Должна существовать однозначная связь между нормированными метрологическими характеристиками и инструментальными погрешностями;
Нормирование метрологических характеристик СИ производится исходя из единых теоретических предпосылок;
Нормируемые метрологические характеристики выражают в такой форме, чтобы с их помощью можно было обоснованно решать практически любые измерительные задачи и одновременно достаточно просто проводить контроль СИ на соответствие этим характеристикам;
Нормируемые метрологические характеристики должны обеспечивать возможность статистического объединения, суммирования составляющих инструментальной погрешности измерений. В общем случае она может быть определена как сумма следующих составляющих погрешности:
∆ д дополнительная погрешность, обусловленная реакцией СИ на изменение внешних влияющих величин и неинформативных параметров входного сигнала относительно их номинальных значений;
∆ дин - динамическая погрешность, обусловленная реакцией СИ на скорость изменения входного сигнала;
∆ 0(t) - систематическая погрешность, обусловленная отличием действительной функции преобразования в нормальных условиях от номинальной, приписанной соответствующими документами данному типу СИ;
∆ вз - систематическая погрешность, обусловленная взаимодействием СИ с объектом измерений или с другими СИ, включенными последовательно с ним в измерительную систему;
Нормируемые метрологические характеристики должны быть инвариантны к условиям применения и режиму работы СИ и отражать только его свойства. Выбор метрологических характеристик необходимо осуществлять так, чтобы пользователь имел возможность рассчитывать по ним характеристики СИ в реальных условиях эксплуатации;
Нормируемые метрологические характеристики, приводимые в нормативно-технической документации, должны отражать свойства не отдельно взятого экземпляра СИ, а всей совокупности СИ данного типа.
При классификации СИ исходят из характера зависимости измеряемой величины от времени, вида уравнения измерений, условий, определяющих точность результата измерений, и способов выражения этих результатов.
Классификация СИ:
По способу получения числового значения : все измерения подразделяют на
прямые, косвенные, совокупные, совместные, одноразовые, многоразовые.
- Прямыми называют измерения, при которых измеряемое значение находят непосредственно из опытных данных:
у = А х х,
где у и х- соответственно измеренное и измеряемое значения; А - коэффициент пропорциональности.
- Косвенные измерения - это измерения, результат которых определяется посредством расчетов на основании прямых измерений величин, связанных с измеряемой величиной функциональной зависимостью:
у = F (х ь х ь ...,х п ).
- Совокупными называют измерения, проводимые одновременно для двух или нескольких однородных (одноименных) величин для нахождения функциональной зависимости между ними. Значение искомой величины находят путем решения системы уравнений.
- Совместными называют измерения двух или нескольких не являющихся одноименными величин, проводимые одновременно для нахождения функциональной зависимости между ними.
Результаты измерений используются при осуществлении контроля качества выпускаемой продукции и параметров технологического процесса. В зависимости от его непосредственного влияния на технологический процесс контроль подразделяют на активный и пассивный.
Активный контроль оказывает воздействие на технологический процесс непосредственно в ходе изготовления контролируемых изделий. От его точности зависит качество изделий, для контроля применяются автоматические измерительные устройства.
Пассивный контроль для учета, находятся или не находятся в заданных пределах физические параметры контролируемого объекта. Он осуществляется при разбраковке изделий на годные и негодные, на исправные и неисправные.
По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения
делятся на следующие:
Статические, актуальные в случае, когда измеряемая величина остается постоянной;
Динамические, актуальные в случае, когда измеряемая величина изменяется.
Метод измерения - совокупность приемов использования принципов и средств измерений. Прямые измерения производят с использованием следующих основных методов :
1) метод непосредственной оценки дает значение измеряемой величины непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия, например измерение давления у проживающих в санаториях;
2) метод совпадения с мерой применяется при выполнении высокоточных измерений. Его сущность в том, что измеряемую величину вычисляют как сумму значения используемой для сравнения меры и показания измерительного прибора, либо принимают равным значению меры;
3) метод сравнения с мерой используется, когда измеряемая величина сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой.
Различают следующие виды методов сравнения :
Метод противопоставления - измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения, с помощью которого устанавливаются соотношения между этими величинами;
Дифференциальный метод (или разностный) - измеряется разность между значениями измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой. Этот метод позволяет получить значения величины с высокой точностью даже при использовании относительно грубых средств для измерения разности. Но осуществить этот метод возможно только при условии воспроизведения с большой точностью известной величины, значение которой близко к значению измеряемой;
Нулевой метод (или балансный) - это метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля. Например, при измерении сопротивления мостом постоянного тока с полным его уравновешиванием;
Метод замещения - основан на сравнении с мерой, при котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой, сохраняя все условия неизменными. Например, при взвешивании с поочередным помещением тела и гирь на одну и ту же чашку весов. Недостаток этого метода заключается в том, что необходимо применение многозначных мер;
Метод совпадений - базируется на совпадении отметок шкал или периодических сигналов для измерения разности между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой. Например, измерения с помощью нониуса штангенциркуля.
Метод генерации псевдослучайных сигналов. В курортно-санаторных медицинских учреждениях широко используются приборы для измерения биоэлектрических потенциалов сердца, принцип работы которых основан на данном виде метода сравнения
3. Образцовые средства измерения предназначены для передачи размеров единиц физических величин от эталонов или более точных образцовых средств в рабочие средства (средства измерений, прошедшие метрологическую аттестацию и утвержденные органами государственной или ведомственной метрологической службы в качестве образца).
По назначению образцовых СИ различают:
- исходные - образцовые средства измерения, от которых размер единицы передается с высокой точностью;
- подчиненные - образцовые средства измерения, которые передают размер единицы от исходного образцового СИ непосредственно или через другие СИ.
В зависимости от погрешности аттестация образцового средства измерения подразделяется на разряды, служащие основой метрологического соподчинения СИ: первый разряд проверяет второй разряд, а эталон проверяет первый разряд.
4. Рабочим называют СИ, предназначенное для измерений, не связанных с передачей размеров единиц.
Разделение СИ на образцовые и рабочие определяется их метрологическим назначением. Образцовые СИ распространяют единицы, служащие для их применения, только для поверки других средств измерения в качестве рабочих они не используются.
5. Отсчетное устройство - это часть конструкции средства измерения, предназначенная для отсчета показаний. Выполняется в виде шкалы, указателя, дисплея, экрана осциллографа и т.п. Соответственно отсчетные устройства бывают: шкальные, цифровые, регистрирующие.
Шкальные устройства состоят из шкалы, представляющей собой
совокупность отметок в виде черточек, точек, зубцов и т.п., чисел, соответствующих последовательным значениям измеряемой величины, и указателя в виде каплевидных, ножевидных и световых стрелок.
Шкалы приборов бывают:
Односторонние - 0 находится в начале шкалы;
Двусторонние - 0 смещен от начала шкалы;
Симметричные - 0 находится в центре шкалы;
Безнулевые.
Основные характеристики шкалы:
Количество делений;
Длина деления - расстояние между осевыми двух соседних отметок по воображаемой линии, проведенной через середины самых коротких отметок шкалы;
Цена деления - разность значений величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы;
Диапазон показаний - область значений шкалы, ограниченная начальным и конечным значениями;
Диапазон измерений - область значений величин, для которой нормирована предельная допустимая погрешность;
Пределы измерений - наибольшее или наименьшее значение диапазона измерения.
Практически равномерной называют шкалу, цены делений которой различаются не более чем на 30 % и которая имеет постоянную цену деления.
Существенно неравномерной называется шкала с сужающимися делениями, для которых значения выходного сигнала соответствуют полусумме верхнего и нижнего пределов диапазона измерений.
1.Цифровые отсчетные устройства подразделяются на механические и цифровые, например компьютерные и цифровые осциллографы.
2.Регистрирующие отсчетные устройства состоят из механического или автоматического пишущего механизма.
3.По способу определения значения измеряемой величины измерительные приборы делятся на две группы:
Прямого действия (напольные весы);
Сравнения (измерение температуры тела).
Измерение - нахождение значения физической величины (параметра) опытным путем с помощью специальных технических средств.
Средства измерений - технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические характеристики. В число средств измерений входят меры, измерительные приборы и измерительные установки. К ним относятся также измерительные преобразователи и измерительные принадлежности, которые не могут применяться самостоятельно, но служат для расширения диапазона измерений, повышения точности, передачи результатов на расстояние и т. п.
Особую роль в метрологии играют меры как носители единиц физических величин.
Мера - …
средство измерений в виде тела или устройства, предназначенного для воспроизведения величины одного или нескольких размеров, значения которых она содержит с необходимой для измерений точностью. Мерами являются, например, гири, мерные колбы, концевые меры длины. Мера позволяет воспроизвести величины, значения которых связаны с принятой единицей этой величины известным соотношением. Некоторые измерительные приборы могут применяться только с мерами.
По способу получения числового значения измеряемой величины все измерения подразделяют на четыре основные вида: прямые, косвенные, совокупные и совместные.
Прямые - это измерения, при которых значение физической величины находят непосредственно из опытных данных, сравнивая измеряемую величину с мерой этой величины или используя измерительные средства, непосредственно дающие значения измеряемой величины (например, измерение длины линейкой, температуры - термометром, массы - взвешиванием и т.д.).
Косвенные - это измерения, при которых размер искомой величины определяют путем прямых измерений других величин, связанных с искомой величиной определенными зависимостями. Например, прочность бетона определяют путем измерения разрушающего усилия и площади поперечного сечения образца или путем измерения времени прохождения через бетон ультразвукового импульса и расстояния между излучателем и приемником.
Совокупные - это производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомую величину определяют решением уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин. Например, состав бетонной смеси определяют путем отбора из одного замеса двух проб, одну из которых взвешивают до и после прокаливания (определяют расход воды), а вторую пробу взвешивают до и после рассева с промывкой и высушиванием (определяют расход песка и щебня). Расход цемента определяют по результатам двух измерений, решая уравнение.
Совместные - это производимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для нахождения зависимостей между ними. Например, для измерения с необходимой точностью прочности бетона ультразвуковым методом предварительно проводят совместные измерения: измеряют скорость ультразвука в бетонных образцах и затем измеряют прочность этих образцов разрушающим методом. С учетом полученной зависимости проводят градуировку ультразвукового прибора или строят градуировочную кривую, которой пользуются в дальнейшем при проведении измерений.
По условиям, определяющим точность результата, измерения делятся на три класса .
1. Измерения максимально возможной точности , достижимой при существующем уровне техники. В этот класс включены все высокоточные измерения и в первую очередь эталонные измерения, связанные с максимально возможной точностью воспроизведения установленных единиц физических величин. Сюда относятся также измерения физических констант, прежде всего универсальных, например измерение абсолютного значения ускорения свободного падения.
2. Контрольно-поверочные измерения , погрешность которых с определенной вероятностью не должна превышать некоторого заданного значения. В этот класс включены измерения, выполняемые лабораториями государственного контроля (надзора) за соблюдением требований технических регламентов, а также состоянием измерительной техники и заводскими измерительными лабораториями. Эти измерения гарантируют погрешность результата с определенной вероятностью, не превышающей некоторого, заранее заданного значения.
3. Технические измерения , в которых погрешность результата определяется характеристиками средств измерений. Примерами технических измерений являются измерения, выполняемые в процессе производства на промышленных предприятиях, в сфере услуг и др.
В зависимости от способа выражения результатов измерений различают абсолютные и относительные измерения.
Абсолютными называют измерения, которые основаны на прямых измерениях одной или нескольких основных величин или на использовании значений физических констант. Примерами абсолютных измерений являются: определение длины в метрах, силы электрического тока в амперах, ускорения свободного падения в метрах на секунду в квадрате.
Относительными называют измерения, при которых искомую величину сравнивают с одноименной величиной, играющей роль единицы или принятой за исходную. Примерами относительных измерений являются: измерение диаметра обечайки по числу оборотов мерного ролика, измерение относительной влажности воздуха, определяемой как отношение количества водяных паров в 1 куб.м воздуха к количеству водяных паров, которое насыщает 1 куб.м воздуха при данной температуре.
В зависимости от способа определения значений искомых величин различают два основных метода измерений метод непосредственной оценки и метод сравнения с мерой .
Метод непосредственной оценки — метод измерения, при котором значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия. Примерами таких измерений являются: измерение длины с помощью линейки, размеров деталей микрометром, угломером, давления манометром и т. д.
Метод сравнения с мерой — метод измерения, при котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Например, для измерения диаметра калибра оптиметр устанавливают на нуль по блоку концевых мер длины, а результат измерения получают по показанию стрелки оптиметра, являющегося отклонением от нуля. Таким образом, измеряемая величина сравнивается с размером блока концевых мер.
Существуют несколько разновидностей метода сравнения:
а) метод противопоставления , при котором измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения, позволяющий установить соотношение между этими величинами, например измерение сопротивления по мостовой схеме с включением в диагональ моста показывающего прибора;
б) дифференциальный метод, при котором измеряемую величину сравнивают с известной величиной, воспроизводимой мерой. Этим методом, например, определяют отклонение контролируемого диаметра детали на оптиметре после его настройки на нуль по блоку концевых мер длины;
в) нулевой метод — также разновидность метода сравнения с мерой, при котором результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля. Этим методом измеряют электрическое сопротивление по схеме моста с полным его уравновешиванием;
г) при методе совпадений разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, определяют, используя совпадения отметок шкал или периодических сигналов. Например, при измерении штангенциркулем используют совпадение отметок основной и нониусной шкал.
В зависимости от способа получения измерительной информации, измерения могут быть контактными и бесконтактными.
В зависимости от типа, применяемых измерительных средств, различают инструментальный, экспертный, эвристический и органолептический методы измерений.
Инструментальный метод основан на использовании специальных технических средств, в том числе автоматизированных и автоматических.
Экспертный метод оценки основан на использовании суждений группы специалистов.
Эвристические методы оценки основаны на интуиции.
Органолептические методы оценки основаны на использовании органов чувств человека. Оценка состояния объекта может проводиться поэлементными и комплексными измерениями. Поэлементный метод характеризуется измерением каждого параметра изделия в отдельности. Например, эксцентриситета, овальности, огранки цилиндрического вала. Комплексный метод характеризуется измерением суммарного показателя качества, на который оказывают влияние отдельные его составляющие. Например, измерение радиального биения цилиндрической детали, на которое влияют эксцентриситет, овальность и др.; контроль положения профиля по предельным контурам и т. п.
РМГ 29 -99 вводит понятие область измерений - совокупность измерений физических величин, свойственных какой-либо области науки или техники и выделяющихся своей спецификой. В соответствии с определением выделяют ряд областей измерений: механические измерения, магнитные, акустические, измерения ионизирующих излучений и др.
Видом измерений названа часть области измерений, имеющая свои особенности и отличающаяся однородностью измеряемых величин. Как примеры видов измерений приведены измерения электрического сопротивления, электродвижущей силы, электрического напряжения, магнитной индукции, относящиеся к области электрических и магнитных измерений. Дополнительно выделеныподвиды измерений - часть вида измерений, выделяющаяся особенностями измерений однородной величины (по диапазону, по размеру величины и др.) и примеры подвидов (измерения больших длин, имеющих порядок десятков, сотен, тысяч километров или измерения сверхмалых длин — толщин пленок как подвиды измерений длины).
Такое истолкование видов и особенно подвидов измерений малоэффективно и не очень корректно - подвиды измерений фактически не определены, и неудачные примеры это подтверждают.
Более широкая трактовка видов измерений (с использованием различных оснований классификации) позволяет отнести к ним также приведенные в том же документе, но не сформированные в классификационные группы измерения, характеризуемые следующими альтернативными парами терминов:
Прямые и косвенные измерения различают в зависимости от способа получения результата измерений. Прямое измерение - измерение, при котором искомое значение физической величины получают непосредственно. В примечании отмечено, что при строгом подходе существуют только прямые измерения и предлагается применять термин прямой метод измерений. Это предложение нельзя назвать удачным (см. далее классификацию методов измерений). Как примеры прямых измерений приведены: измерение длины детали микрометром, силы тока амперметром, массы на весах.
В ходе прямых измерений искомое значение величины определяют непосредственно по устройству отображения измерительной информации применяемого средства измерений. Формально без учета погрешности измерения они могут быть описаны выражением
где Q - измеряемая величина,
х - результат измерения.
Косвенное измерение - определение искомого значения физической величины на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной. Далее сказано, что вместо термина косвенное измерение часто применяют термин косвенный метод измерений. Этот вариант предпочтительно не использовать как явно неудачный.
При косвенных измерениях искомое значение величины рассчитывают на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. Формальная запись такого измерения
Q = F (X, Y, Z,…),
где X, Y, Z,… - результаты прямых измерений.
Принципиальной особенностью косвенных измерений является необходимость обработки (преобразования) результатов вне прибора (на бумаге, с помощью калькулятора или компьютера), в противоположность прямым измерениям, при которых прибор выдает готовый результат. Классическими примерами косвенных измерений можно считать нахождение значения угла треугольника по измеренным длинам сторон, определение площади треугольника или другой геометрической фигуры и т.п. Один из наиболее часто встречающихся случаев применения косвенных измерений- определение плотности материала твердого тела. Например, плотность ρ тела цилиндрической формы определяют по результатам прямых измерений массы т, высоты h и диаметра цилиндра d, связанных с плотностью уравнением
ρ = т/0,25π d2 h
С различением прямых и косвенных измерений связаны дискуссии и ряд недоразумений. Например, споры о том, являются ли косвенными измерения радиального биения (b = Rmax - Rmin) или высоты детали при настройке прибора на отличное от нулевого деление. Некоторые метрологи отказываются от признания косвенных измерений как таковых ("существуют только прямые измерения, а все остальное- математическая обработка результатов"). Можно предложить компромиссное решение: признать за косвенными измерениями право на существование, поскольку специфика математической обработки результатов таких измерений и оценки их погрешностей никем не оспаривается.
Прямые и косвенные измерения характеризуют измерения некоторой конкретной одиночной физической величины. Измерение любого множества физических величин классифицируется в соответствии с однородностью (или неоднородностью) измеряемых величин. На этом и построено различение совокупных и совместных измерений.
Совокупные измерения - проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин определяют путем решения системы уравнений, получаемых при измерениях этих величин в различных сочетаниях.Приведенный пример - определение значений массы отдельных гирь набора по известному значению массы одной из гирь и по результатам измерений (сравнений) масс различных сочетаний гирь подтверждает, что определению соответствуют не измерения, а специальные исследования, направленные на поиск погрешностей ряда мер массы.
Реально к совокупным измерениям следует отнести те, при которых осуществляется измерение нескольких одноименных величин, например, длинL1, L2, L3 и т.д. Подобные измерения выполняют на специальных устройствах (измерительных установках) для одновременного измерения ряда геометрических параметров валов.
Совместные измерения - проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для определения зависимости между ними. В качестве примера можно рассмотреть одновременные измерения длин и температур для нахождения температурного коэффициента линейного расширения. В более узкой трактовке совместные измерения подразумевают измерение нескольких неодноименных величин (X, Y, Z и т.д.). Примерами таких измерений могут быть комплексные измерения электрических, силовых и термодинамических параметров электродвигателя, а также измерения параметров движения и состояния транспортного средства (скорость, запас горючего, температура двигателя и др.).
Для отображения результатов, получаемых при измерениях, могут быть использованы разные оценочные шкалы, в том числе градуированные в единицах измеряемой физической величины, либо в некоторых относительных единицах, в том числе и в неименованных. В соответствии с этим принято различатьабсолютные и относительные измерения.
Абсолютное измерение - измерение, основанное на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значений физических констант. Это крайне неудачное определение сопровождается примером (измерение силы F = mg основано на измерении основной величины — массы т и использовании физической постоянной g в точке измерения массы), который подтверждает нелепость предложенной трактовки. В примечании сказано, что понятие абсолютное измерение применяется как противоположное понятию относительное измерение и рассматривается как измерение величины в ее единицах, и что именно такое понимание находит все большее и большее применение в метрологии. Именно эту трактовку имеет смысл использовать для данных альтернативных видов измерений.
Относительное измерение - измерение отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерение изменения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.
Пример — Измерение активности радионуклида в источнике по отношению к активности радионуклида в однотипном источнике, аттестованном в качестве эталонной меры активности.
По числу повторных измерений одной и той же величины различают однократные и многократные измерения. Однократное измерение - измерение, выполненное один раз.
Примечание — Во многих случаях на практике выполняются именно однократные измерения. Например, измерение конкретного момента времени по часам обычно производится один раз. (Пример не выдерживает критики, поскольку повторные измерения одного отрезка времени невозможны).
Многократное измерение - измерение физической величины одного и того же размера, результат которого получен из нескольких следующих друг за другом измерений, т. е. состоящее из ряда однократных измерений.
В зависимости от поставленной цели число повторных измерений может колебаться в широких пределах (от двух измерений до нескольких десятков и даже сотен). Многократные измерения проводят или для страховки от грубых погрешностей (в таком случае достаточно трех-пяти измерений) или для последующей математической обработки результатов (часто более пятнадцати измерений с последующими расчетами средних значений, статистической оценкой отклонений и др.). Многократные измерения называют также«измерения с многократными наблюдениями».
Статическое измерение - измерение физической величины, принимаемой в соответствии с конкретной измерительной задачей за неизменную на протяжении времени измерения. Приведенные примеры (измерение длины детали при нормальной температуре и измерение размеров земельного участка) скорее запутывают, чем проясняют ситуацию.
Динамическое измерение - измерение изменяющейся по размеру физической величины.
Примечания
1 Терминоэлемент «динамическое» относится к измеряемой величине.
2 Строго говоря, все физические величины подвержены тем или иным изменениям во времени. В этом убеждает применение все более и более чувствительных средств измерений, которые дают возможность обнаруживать изменение величин, ранее считавшихся постоянными, поэтому разделение измерений на динамические и статические является условным.
Трактовка статических и динамических измерений как измерений постоянной либо переменной физических величин примитивна и в философском плане всегда неоднозначна ("все течет, все меняется"). "Неизменных" физических величин, кроме физических констант в практике измерений почти нет, все величины различаются только в соответствии со скоростью изменения.
Вместо абстрактных рассуждений желательны определения, обусловленные прагматическим подходом. Статические и динамические измерения наиболее логично рассматривать в зависимости от режима получения средством измерения входного сигнала измерительной информации. При измерении встатическом режиме (или квазистатическом режиме) скорость изменения входного сигнала несоизмеримо ниже скорости его преобразования в измерительной цепи, и результаты фиксируются без динамических искажений.
При измерении в динамическом режиме появляются дополнительные динамические погрешности, связанные со слишком быстрым изменением либо самой измеряемой физической величины, либо входного сигнала измерительной информации, поступающего от постоянной измеряемой величины. Например, измерение диаметров тел качения (постоянных физических величин) в подшипниковой промышленности осуществляется с использованием контрольно-сортировочных автоматов. При этом скорость изменения измерительной информации на входе может оказаться соизмеримой со скоростью измерительных преобразований в цепи прибора. Измерение температуры с помощью ртутного термометра несоизмеримо медленнее измерений электронными термометрами, следовательно, применяемые средства измерений могут в значительной степени определить режим измерений.
По реализованной точности и по степени рассеяния результатов при многократном повторении измерений одной и той же величины различают равноточные и неравноточные, а также на равнорассеянные и неравнорассеянные измерения.
Равноточные измерения - ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности средствами измерений в одних и тех же условиях с одинаковой тщательностью.
Неравноточные измерения - ряд измерений какой-либо величины, выполненных различающимися по точности средствами измерений и (или) в разных условиях.
В примечаниях к двум последним определениям предлагается до обработки ряда измерений, убедиться в том, что все измерения являются равноточными, а неравноточные измерения обрабатывать с учетом веса отдельных измерений, входящих в ряд.
Оценка равноточности и неравноточности, а также равнорассеянности и неравнорассеянности результатов измерений зависит от выбранных значений предельных мер расхождения точности или оценок рассеяния. Допустимые расхождения оценок устанавливают в зависимости от задачи измерения.Равноточными называют серии измерений 1 и 2, для которых оценки погрешностей Δi и Δj можно считать практически одинаковыми
а к неравноточным относят измерения с различающимися погрешностями
Измерения в двух сериях считают равнорассеянными (Δ1 ≈ Δ2), или при (Δ1 ≠ Δ2)
неравнорассеянными (в зависимости от совпадения или различия оценок случайных составляющих погрешностей измерений сравниваемых серий 1 и 2).
В зависимости от планируемой точности измерения делят на технические и метрологические. К техническим следует относить те измерения, которые выполняют с заранее установленной точностью. Иными словами, при технических измерениях погрешность измерения Δ не должна превышать заранее заданного значения [Δ]:
где [Δ] - допустимая погрешность измерения.
Именно такие измерения наиболее часто осуществляются в производстве, откуда и взято их наименование.
Метрологические измерения выполняют с максимально достижимой точностью, добиваясь минимальной (при имеющихся ограничениях) погрешности измерения Δ, что можно записать как
Такие измерения имеют место при эталонировании единиц, при выполнении уникальных исследований.
В тех случаях, когда точность результата измерений не имеет принципиального значения, а цель измерений состоит в приблизительной оценке неизвестной физической величины прибегают к ориентировочным измерениям, погрешность которых может колебаться в достаточно широких пределах, поскольку любая реализуемая в процессе измерений погрешностьΔ, принимается за допустимую [Δ]
Общность метрологического подхода ко всем этим видам измерений состоит в том, что при любых измерениях определяют значения Δ реализуемых погрешностей, без чего невозможна достоверная оценка результатов.
Существует несколько видов измерений. При их классификации обычно исходят из характера зависимости измеряемой величины от времени, вида уравнения измерений, условий, определяющих точность результата измерений и способов выражения этих результатов.
1) По характеру зависимости измеряемой величины от времени:
а) статические - имеют место, когда измеряемая величина практически постоянна (измерения размеров тела, постоянного давления);
б) динамические, связанные с величинами, которые в процессе измерений претерпевают те или иные изменения (измерения пульсирующих давлений, вибраций).
2) По способу получения результатов:
а) Прямые измерения — измерения, при которых искомое значение физической величины находят непосредственно из опытных данных путем ее непосредственного сравнения с мерой. (измерение давления, температуры и др.).
б) Косвенные измерения — измерения, при которых искомую величину определяют на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям, т.е. измеряют не собственно определяемую величину, а другие, функционально с ней связанные. Значение измеряемой величины находят через преобразование или через установленную формулу (определение объема тела по прямым измерениям его геометрических размеров, нахождение удельного электрического сопротивления проводника по его сопротивлению, длине и площади поперечного сечения).
в) Совокупные измерения — это производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, характеризующих Данный предмет или изделие, при которых искомую определяют решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин (определение массы отдельных гирь набора (или прогнозирование погоды на основе замеров силы ветра, влажности воздуха, фронтов и т.п).
г) Совместные измерения — это производимые одновременно измерения двух или нескольких неоднородных физических величин для нахождения зависимостей между ними (измерение электрического сопротивления при определенных температурных параметрах и температурных коэффициентов измерительного резистора по данным прямых измерений его сопротивления при различных температурах).
3) По условиям, определяющим точность результата:
а) Измерения максимально возможнойточности, достижимой при существующем уровне техники.
К ним относятся в первую очередь эталонные измерения, связанные с максимально возможной точностью воспроизведения установленных единиц физических величин, и, кроме того, измерения физических констант , прежде всего универсальных (например, абсолютного значения ускорения свободного падения и др.). К этому же классу относятся и некоторые специальные измерения, требующие высокой точности.
б) Контрольно-поверочные измерения, погрешность которых с определенной вероятностью не должна превышать некоторого заданного значения.
К ним относятся измерения, выполняемые лабораториями государственного надзора за внедрением и соблюдением стандартов и состоянием измерительной техники и заводскими измерительными лабораториями, которые гарантируют погрешность результата с определенной вероятностью, не превышающей некоторого заранее заданного значения.
в) Технические измерения, в которых погрешность результата определяется характеристиками средств измерений.
Примерами технических измерений являются измерения, выполняемые в процессе производства на машиностроительных предприятиях, на щитах распределительных устройств электрических станций и др.
4 ) По способу выражения результатов измерений:
а) Абсолютными называются измерения, которые основаны на прямых измерениях одной или нескольких основных величин или на использовании значений физических констант (определение длины в метрах, силы электрического тока в амперах, ускорения свободного падения в метрах на секунду в квадрате).
б) Относительными называются измерения отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную (измерение относительной влажности воздуха, определяемой как отношение количества водяных паров в 1 м" 3 воздуха к количеству водяных паров, которое насыщает 1 m j воздуха при данной температуре).
5) По характеру изменения измеряемой величины измерения:
а) Статические — применяют для измерения случайных процессов, а затем для определения среднестатистической величины;
б) Постоянные — используют для контроля непрерывных процессов.
6) По количеству измерительной информации измерения:
а) 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.
б) Многократные измерения — характеризуются превышением числа измерений количества измеряемых величин. Преимущество многократных измерений — значительное снижение влияний случайных факторов на погрешность измерения.
Основными характеристиками измерений являются:
Принцип измерений;
Метод измерений;
Погрешность;
Точность;
Правильность;
Достоверность.
Принцип измерении — физическое явление или совокупность физических явлений, положенных в основу измерений (измерение массы тела при помощи взвешивания с использованием силы тяжести, пропорциональной массе, измерение температуры с использованием термоэлектрического эффекта).
Метод измерений — совокупность приемов использования принципов и средств измерений. Средствами измерений являются используемые технические средства, имеющие нормированные метрологические свойства.
Различают методы непосредственной оценки и методы сравнения.
При измерении методом непосредственной оценки искомое значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству средства измерения, которое проградуировано в соответствующих единицах.
Метод сравнения с мерой — метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой (например, сравнение массы на рычажных весах). Отличительной чертой методов сравнения является непо-средственное участие меры в процедуре измерения, в то время как в методе непосредственной оценки мера в явном виде при измерении не присутствует, а ее размеры перенесены на отсчетное устройство (шкалу) средства измерения заранее, при его градуировке. Обязательным в методе сравнения является наличие сравнивающего устройства.
Метод сравнения с мерой имеет несколько разновидностей: нулевой метод, дифференциальный метод, метод замещения и метод совпадений.
Нулевой метод (или метод полного уравновешивания) — метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и встречного воздействия меры на сравнивающее устройство сводят к нулю.
Например . Измерение массы на равноплечих весах, когда воздействие на весы массы m х полностью уравновешивается массой гирь m 0 (рисунок 2).
Рисунок 2 - Метод полного уравновешивания
При дифференциальном методе полное уравновешивание не производят, а разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, отсчитывается по шкале прибора.
Например. Измерение массы на равноплечих весах, когда воздействие массы m х на весы частично уравновешивается массой гирь m 0 , а разность масс отсчитывается по шкале весов, градуированной в единицах массы (рисунок 3).
Рисунок 3 - Дифференциальный метод
В этом случае значение измеряемой величины m х = m 0 + m, где m — показания весов
Метод замещения — метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой.
Например.Взвешивание на пружинных весах. Измерение производят в два приема. Вначале на чашу весов помещают взвешиваемую массу и отмечают положение указателя весов; затем массу m х замещают массой гирь m 0 , подбирая ее так, чтобы указатель весов установился точно в том же положении, что и в первом случае. При этом ясно, что m х = m 0 , (рисунок 4).
Рисунок 4 - Метод замещения
В методе совпадений разность между измеряемой величиной и величиной воспроизводимой мерой измеряют, используя совпадения отметок шкал или периодических сигналов.
Например. Измерение числа оборотов вала с помощью стробоскопа - вал периодически освещается вспышками света, и частоту вспышек подбирают так, чтобы метка, нанесенная на вал, казалась наблюдателю неподвижной. Метод совпадений, использующий совпадения основной и нониусной отметок шкал, реализуется в штангенприборах, применяемых для измерения линейных размеров.
Погрешность измерений — отклонение результата измерений от истинного значения измеряемой величины. Погрешность вызывается воздействием множества факторов, таких как: характер измеряемой величины, качество применяемых средств измерений, метод измерений, условия измерения (температура, влажность, давление и т.п.), индивидуальные особенности лица, выполняющего измерения, и др. Под влиянием этих факторов результат измерений будет отличаться от истинного значения измеряемой величины.
Точность измерений — качественная характеристика измерений, отражающая близость их результатов к истинному значению измеряемой величины.
Количественно точность можно выразить величиной «класс точности». Это характеристика, зависящая от способа выражения пределов допускаемых погрешностей средств измерений. Введение класса точности преследовало цель классификации средств измерений по точности. В настоящее время, когда схемы и конструкции средств измерений усложнились, а области применения средств измерений весьма расширились, на погрешность измерений стали существенно влиять и другие факторы: изменения внешних условий и характер изменения измеряемых величин во времени.
Погрешность измерительных приборов перестала быть основной составляющей погрешности измерений, и класс точности не позволяет в полной мере решать практические задачи, перечисленные выше. Область практического применения характеристики «класс точности» ограничена только такими средствами измерений, которые предназначены для измерения статических величин. В международной практике «класс точности» устанавливается только для небольшой части приборов.
Правильность измерений — качество измерений, отражающее близость к нулю систематических погрешностей в их результатах (т.е. таких погрешностей, которые остаются постоянными или закономерно изменяются при повторных измерениях одной и той же величины). Правильность измерений зависит, в частности, от того, насколько действительный размер единицы, в которой выполнено измерение, отличается от ее истинного размера (по определению), т.е. от того, в какой степени были правильны (верны) средства измерений, использованные для данного вида измерений.
Достоверность характеризует доверие к результатам измерений и делит их на две категории: достоверные и недостоверные, в зависимости от того, известны или неизвестны вероятностные характеристики их отклонений от истинных значений соответствующих величин. Поэтому такие вероятности следует рассматривать в качестве критериев достоверности контроля, чтобы в границах допуска правильно охарактеризовать параметры качества и безопасности.
Наличие погрешности ограничивает достоверность измерений, т.е. вносит ограничение в число достоверных значащих цифр числового значения измеряемой величины и определяет точность измерений. Характеристики погрешности измерений должны выбираться при контроле образцов продукции в соответствии с требованиями достоверности контроля.
Измерения как основной объект метрологии связаны в основном с физическими величинами:
Физическая величина — одно из свойств физического объекта, явления, процесса, который является общим в качественном отношении для многих физических объектов, отличаясь при этом количественным значением.
Физическая величина, которой по определению присвоено числовое значение, равное единице, называется единицей физической величины.
Различают основные и производные единицы.
Основные единицы физической величины выбираются произвольно, независимо от других единиц (единица длины — метр, единица массы — килограмм, единица температуры — градус и т.д.)
Единицы, образованные с помощью формул, выражающих зависимость между физическими величинами, называют производными единицами. В этом случае единицы величин будут выражаться через единицы других величин. Например, единица скорости — метр в секунду (м/с), единица плотности — килограмм на метр в квадрате (кг/м 2).
Разные единицы одной и той же величины отличаются друг от друга своим размером. Такие единицы называют кратными (например, километр — 10 3 м, киловатт — 10 3 Вт) или дельными (например, миллиметр — 10 -3 м, миллисекунда — 10-3 с). Такие единицы получают умножением или делением независимой или производной единицы на целое число, обычно на 10.
Единицы физических величин объединяются по определенному принципу в системы единиц. Эти принципы заключаются в следующем: произвольно устанавливают единицы для некоторых величин, называемых основными единицами, и по формулам через основные получают все производные единицы для данной области измерений. Совокупность основных и производных единиц, относящихся к некоторой системе величин и образованная в соответствии с принятыми принципами, составляет систему единиц физических величии.
Многообразие систем единиц для различных областей измерений создавало трудности в научной и экономической деятельности как в отдельных странах, так и в международном масштабе. Поэтому возникла необходимость в создании единой системы единиц, которая включала бы в себя единицы величин для всех разделов физики.
Международная система единиц состоит из семи основных единиц, двух дополнительных единиц и необходимого числа производных единиц.
К основным относятся:
Единица длины — метр — длина пути, которую проходитсвет в вакууме за 1/299792458 долю секунды;
Единица массы — килограмм — масса, равная массе международного прототипа килограмма;
Единица времени — секунда — продолжительность9192631770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133 при отсутствии возмущения со стороны внешних полей;
Единица силы электрического тока — ампер — сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого ввакууме, создал бы между этими проводниками силу, равную 2 . 10~ 7 Н на каждый метр длины;
Единица термодинамической температуры — кельвин — часть термодинамической температуры тройной точки воды. Допускается также применение шкалы Цельсия;
Единица количества вещества — моль — количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько атомов содержится в нуклиде углерода-12 массой 0,012 кг;
Единица силы света — кандела — сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540- 10 12 Гц, энергетическая сила которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср".
Три первые единицы (метр, килограмм, секунда) позволяют образовать производные единицы для измерения механических и акустических величин. При добавлении к указанным четвертой единицы — кельвина можно образовать производные единицы для измерений тепловых величин.
Единицы (метр, килограмм, секунда, ампер) служат основой для образования производных единиц в области электрических, магнитных измерений и измерений ионизирующих излучений. Единица моль используется для образования единиц в области физико-химических измерений.
Дополнительными единицами являются:
Единица плоского угла — радиан и единица телесного угла — стерадиан используются для образования производных единиц, связанных с угловыми величинами (например, угловая скорость, световой поток и др.).
Шкала наименований - это качественная, а не количественная шкала, она не содержит нуля и единиц измерений (напр., шкала цветов).
Такие шкалы используется для классификации объектов, свойства которых проявляются только в отношении эквивалентности (совпадения или несовпадения). Эти свойства нельзя считать физическими величинами, поэтому шкалы такого вида не являются шкалами ФВ. В шкалах наименований оценивание осуществляется с использованием органов чувств человека, наиболее адекватен результат, выбранный большинством экспертов. Поскольку данные шкалы характеризуются только отношениями эквивалентности, то в них отсутствуют понятия нуля, «больше или меньше» и единицы измерения.
Шкала порядка - характеризует значение измеряемой величины в баллах (напр., шкала землетрясений; силы ветра и др.).
Она является монотонно изменяющейся и позволяет установить отношения «больше - меньше» между величинами, характеризующими это свойство. Нуль существует или не существует, но принципиально невозможно ввести единицы измерения, так как для них не установлено отношение пропорциональности и соответственно нельзя судить, во сколько раз больше или меньше конкретные проявления свойства.
Шкала интервалов - имеет условное нулевое значение, а интервалы устанавливают по согласованию (напр., шкала времени, шкала длины).
Данные шкалы являются дальнейшим развитием шкал порядка. Шкала состоит из одинаковых интервалов, имеет единицу измерения и произвольно выбранное начало - нулевую точку. К таким шкалам относится летоисчисление, температурные шкалы.
Шкала отношений - имеет естественное нулевое значение, а единица измерений устанавливается по согласованию, в зависимости от требования точности измерения (напр., шкала веса).
С формальной точки зрения эта шкала является шкалой интервалов с естественным началом отсчета. К значениям, полученным по шкале отношений, применимы все арифметические действия, что имеет большое значение при измерении ФВ.
Сравнение неизвестного размера какой-либо физической величины с известным и выражение первого через второй в кратном или дольном отношении составляют физическую основу измерений. Измерения могут производиться с помощью органов чувств человека (осязания, обоняния, зрения, слуха и вкуса) и в этом случае они называются органолептическими. Такие измерения весьма субъективны. Тем не менее, они широко используются в науке и практике особенно тогда, когда производятся измерения (сравнение) качественных свойств объекта.
Измерения, выполняемые с помощью специальных технических средств, называются инструментальными. Такие измерения могут считаться вполне объективными, если при их выполнении роль человеческого фактора сведена к минимуму.
Измерения классифицируют:
по характеру зависимости измеряемой величины от времени;
по способам получения результатов измерений;
по условиям, определяющим точность измерений;
по способу выражения результатов измерений.
По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения делятся на две группы: статические и динамические.
Статические измерения проводятся тогда, когда измеряемая величина остается постоянной во времени, а динамические – когда измеряемая величина изменяется во времени.
По способу получения результатов измерений их разделяют на прямые, косвенные, совокупные и совместные.
При проведении прямых измерений искомое значение физической величины находят непосредственно из опытных данных. К их числу относятся, например, измерения: размерных параметров строительных конструкций и изделий с помощью масштабных линеек; температуры - термометром; электрического напряжения – вольтметром и т.п.
При проведении косвенных измерений искомую величину вычисляют по известной функциональной зависимости, связывающей ее с величинами, получаемыми опытным путем с помощью прямых измерений. Такие измерения применяют в тех случаях, когда искомую величину невозможно или очень сложно измерить непосредственно. К косвенным измерениям относятся, например, определение объема конструкции по прямым измерениям ее геометрических размеров, определение углов треугольника по измеренным длинам сторон.
При совокупных измерениях одновременно осуществляют измерения несколько одноименных величин, а искомую величину определяют решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин.
При совместных измерениях одновременно осуществляют измерение нескольких неодноименных величин для нахождения зависимостей между ними. Примером таких измерений может служить определение модуля упругости бетона, когда сначала измеряют напряжения в бетоне при различных значениях относительной деформации, а далее рассчитывают начальный модуль упругости при напряжении, равном 0,2 предела прочности.
По условиям, определяющим точность результата , измерения делятся на три класса.
Измерения с максимально возможной точностью , достижимой при существующем уровне техники. К числу таких измерений относятся эталонные измерения, связанные с необходимостью достижения максимально возможной точности воспроизведения установленных единиц физических величин, а также измерение универсальных физических констант, например, ускорения силы тяжести.
Контрольно-поверочные измерения , погрешность которых не должна превышать некоторого заданного значения. К числу таких измерений относятся измерения, выполняемые территориальными органами государственного надзора за внедрением и соблюдением стандартов и состоянием измерительной техники (центрами стандартизации, метрологии и сертификации).
3. Технические измерения , в которых погрешность результата определяется характеристиками средств измерения. К числу таких измерений относятся измерения, выполняемые на предприятиях стройиндустрии при контроле различных технологических операций.
По способу выражения результатов измерений различают абсолютные и относительные измерения. Абсолютными называются измерения, основанные на прямых измерениях одной или нескольких основных величин или на использовании физических констант. Измерения размеров строительной конструкции в метрах (сантиметрах, миллиметрах) служат примером таких измерений. Относительными называются измерения отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную. Относительные измерения основаны на сравнении измеряемой величины с известным значением меры.
Основными характеристиками измерений являются:
принцип измерений;
метод измерений;
погрешность;
точность;
правильность
достоверность измерений.
Принцип измерений - это физическое явление или совокупность физических явлений, положенных в основу измерений. Например, измерение температуры в пропарочной камере для бетонных конструкций с использованием термоэлектрического эффекта.
Метод измерений - это совокупность приемов использования принципов и средств измерений. К средствам измерения относятся используемые технические средства, имеющие нормированные метрологические свойства.
Погрешностью измерений называется разность между полученным при измерении и истинным значениями измеряемой величины. Погрешность измерений зависит от несовершенства методов и средств измерений, непостоянства условий проведения эксперимента, опыта наблюдателя и особенностей его органов чувств.
Правильность измерений является качественной характеристикой, отражающей близость к нулю систематических погрешностей результатов измерений. Правильность измерений зависит от соответствия выбора средств измерения для определения заданной физической величины.
Достоверность измерений характеризует степень доверия к результатам измерений. В зависимости от того, известны или неизвестны вероятностные характеристики отклонений результатов измерений от истинных значений соответствующих величин, они делятся на достоверные и недостоверные. Как правило, недостоверные результаты измерений не представляют практической ценности. На достоверность результатов существенно влияют погрешности измерений.
Методы и средства измерений
В метрологической практике в зависимости от способа сопоставления измеряемой величины с мерой различают несколько основных методов проведения измерений. Среди них методы: непосредственной оценки, сравнения с мерой (противопоставления, дифференциальный, нулевой, замещения, совпадения).
В методе непосредственной оценки значения измеряемой величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия, например, измерение массы изделия на циферблатных весах.
В методе сравнения с мерой измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой (например, измерения массы лабораторного образца, пробы грунта или изделия на рычажных весах с уравновешиванием гирями).
В методе противопоставления измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение между этими величинами (например, измерение линейных штриховых мер на компараторе).
В дифференциальном методе на измерительный прибор воздействует разность измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой (например, измерение линейных размеров на контактных интерферометрах).
В нулевом методе результирующий эффект воздействия измеряемой величины на прибор сравнения доводят до нуля (например, измерение сопротивления тензорезисторов с помощью электрического моста с полным его уравновешиванием).
В методе замещения измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой (например, взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гири на одну и ту же чашку весов).
В методе совпадения разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадения отметок шкал или периодических сигналов (например, измерения линейных размеров штангенциркулем с нониусом или угловых размеров универсальными угломерами с угловым нониусом).
В зависимости от количества контролируемых элементов или параметров объекта методы измерения подразделяют на дифференцированные и комплексные .
Дифференцированный (поэлементный) метод заключается в независимом измерении каждого параметра изделия в отдельности, а комплексный метод – в одновременном измерении и проверке суммарной погрешности нескольких параметров. Дифференцированный метод позволяет выявить причины появления бракованных изделий, а комплексный метод обеспечивает проверку взаимозаменяемости изделий в конструкциях.
По результатам воздействия контрольных операций на объект при проведении измерений различают разрушающие и неразрушающие методы испытаний и контроля.
После применения разрушающих методов контроля изделия, подвергшиеся испытаниям, непригодны для дальнейшего использования по своему назначению (например, испытания железобетонных конструкций до разрушения с целью определения их трещиностойкости и прочности).
При использовании неразрушающих методов контроля изделия, подвергшиеся испытаниям и удовлетворяющие требованиям нормативных документов, пригодны для дальнейшего применения по своему назначению (к примеру, лазерная, ультразвуковая и акустическая дефектоскопия бетона, стекла, керамики и других строительных материалов).
Все инструментальные измерения осуществляется с помощью технических устройств, называемых средствами измерений, которые подразделяются на меры, эталоны, измерительные приборы, измерительно-вычислительные системы и комплексы.
Физические величины, их единицы и системы единиц
Физические величины
Физическая величина – это характеристика физических объектов или явлений материального мира, общая для множества объектов или явлений в качественном отношении, но индивидуальная в количественном отношении для каждого из них . Например, масса, длина, площадь, температура и т.д.
Каждая физическая величина имеет свои качественную и количественную характеристики .
Качественная характеристика определяется тем, какое свойство материального объекта или какую особенность материального мира эта величина характеризует. Так, свойство "прочность" в количественном отношении характеризует такие материалы, как сталь, дерево, ткань, стекло и многие другие, в то время как количественное значение прочности для каждого из них совершенно разное
Для выявления количественного различия содержания свойства в каком-либо объекте, отображаемого физической величиной, вводится понятие размера физической величины . Этот размер устанавливается в процессе измерения - совокупность операций, выполняемых для определения количественного значения величины (ФЗ «Об обеспечении единства измерений»
Целью измерений является определение значения физической величины - некоторого числа принятых для нее единиц (например, результат измерения массы изделия составляет 2 кг, высоты здания -12 м и др.). Между размерами каждой физической величины существуют отношения в виде числовых форм (типа «больше», «меньше», «равенства», «суммы» и т.п.), которые могут служить моделью этой величины.
В зависимости от степени приближения к объективности различают истинное, действительное и измеренное значения физической величины .
Истинное значение физической величины - это значение, идеально отражающее в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта. Из-за несовершенства средств и методов измерений истинные значения величин практически получить нельзя. Их можно представить только теоретически. А значения величины, полученные при измерении, лишь в большей или меньшей степени приближаются к истинному значению.
Действительное значение физической величины - это значение величины, найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него.
Измеренное значение физической величины - это значение, полученное при измерении с применением конкретных методов и средств измерений.
При планировании измерений следует стремиться к тому, чтобы номенклатура измеряемых величин соответствовала требованиям измерительной задачи (например, при контроле измеряемые величины должны отражать соответствующие показатели качества продукции).
Для каждого параметра продукции должны соблюдаться требования:
Корректность формулировки измеряемой величины, исключающая возможность различного толкования (например, необходимо четко определять, в каких случаях определяется "масса" или "вес" изделия, "объем" или "вместимость" сосуда и т.д.);
Определенность подлежащих измерению свойств объекта (например, "температура в помещении не более...°С " допускает возможность различного толкования. Необходимо так изменить формулировку требования, чтобы было ясно, установлено ли это требование к максимальной или к средней температуре помещения, что будет в дальнейшем учтено при выполнении измерений);
Использование стандартизованных терминов.
