Для чего нужны методы измерений
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).
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.
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.
Примером этого метода является измерение длины при помощи штангенциркуля с нониусом. Метод совпадений часто применяется при измерениях параметров периодических процессов.
Очевидно, что выбор метода измерений зависит от его теоретической обоснованности, наличия необходимых СИ, их вида (мера, измерительный прибор и др.) и конструктивных особенностей.
Например, чтобы решить такую простейшую измерительную задачу, как измерение высоты заводской трубы, можно выбрать один из следующих методов:
• поднявшись с рулеткой на трубу, произвести измерение (метод сравнения с мерой);
• поднять вертолет с высотомером до уровня трубы и измерить высоту подъема (метод непосредственной оценки);
• вычислить высоту трубы как катет прямоугольного треугольника на основании результатов измерений расстояния до трубы и угла этого треугольника (косвенные измерения).
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.
Методики выполнения измерений
Методика выполнения измерений (МВИ) представляет собой чёткий алгоритм, пооперационно и с максимальной детализацией регламентирующий процесс определения заданных параметров конкретного объекта с необходимой точностью.
Методика необходима в случаях, когда искомые параметры определяются по сложной технологии, косвенным методом, нередко с применением комплексных програмно-аппаратных средств. Согласно Федеральному закону 102-ФЗ «Об обеспечении единства измерений», методики, применяемые в сфере государственного регулирования, подвергаются обязательной аттестации, в порядке, определяемом Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии. С другой стороны, действие закона не распространяется на те случаи, когда требуемые данные выявляются прямыми измерениями с помощью утвержденных и поверенных в установленном порядке технических средств. Здесь вполне достаточно общих знаний и сведений из инструкции на конкретное СИ – к примеру, электроизмерительный прибор, весы или штангенциркуль.
Методики выполнения измерений, помимо общих сведений об оформлении отчетной документации, нормативной базе, области применения, определений и обозначений в тексте содержат обязательные разделы, конкретизирующие требования к точности получаемых данных, перечню и характеристикам используемых СИ, численности, составу и квалификации персонала, а также оговаривающие требования безопасности проведения работ, меры по охране окружающей среды и чисто технологические аспекты, как то: методы, условия, подготовительные мероприятия, собственно процесс и обработку полученных данных, включая контроль их достоверности. В состав МВИ включаются также и необходимая справочная информация в форме приложений.
Методики выполнения измерений содержат следующие структурные элементы и разделы:
Одним из примеров методики выполнения измерений может служить Руководство Р.009 «Расчет и измерение крутильных колебаний валопроводов и агрегатов», описывающее алгоритм исследования резонансных характеристик главных силовых установок речных судов. Оно и является основным нормативным документом, регламентирующим данное мероприятие как в организационном, так и в техническом отношении. Особенность данной измерительной задачи состоит в определении фактических параметров колебаний движущихся частей двигателя, доступ к которым во время работы весьма проблематичен, а кроме того, наличие сложной «моторной» формы вибраций, состоящей из многих гармоник, и вовсе исключает решение поставленной задачи «напрямую».
Тем не менее, она была решена методом прямого измерения нескольких взаимосвязанных с искомыми величинами параметров, что позволило, с одной стороны, создать простую, универсальную и весьма точную расчетную схему, но, с другой стороны, потребовало применения нескольких видов СИ в режиме строгой взаимной синхронизации при наличии многих дополнительных условий. И если на стенде апробирование подобной методики проблем не вызывало, то для адаптации ее к условиям судна потребовалась фактически поэлементная дифференциация выполняемых операций, с привлечением специалистов из числа членов экипажа и использованием в качестве СИ некоторых штатных контрольных приборов двигателя. Практическая реализация такого алгоритма стала возможной только благодаря тщательной технической и организационной проработке конкретной МВИ во всех вышеизложенных аспектах.
Регулирование общих положений МВИ в части методики, разработки, аттестации, надзора и т.д. осуществляется на основе ГОСТ Р 8.563-96, а некоторые конкретные рекомендации изложены дополнительно в МИ 2377-96 «ГСИ. Разработка и аттестация методик выполнения измерений». Этими документами предусматривается оформление МВИ в формате как отдельного документа – ГОСТа, методических указаний, инструкции и т.д. (пример «Руководство. », упомянутое выше), так и в виде раздела КД, ТУ, эксплуатационной, проектной, либо технологической документации. Например, во многих инструкциях по эксплуатации сложных агрегатов оговариваются методики периодического измерения осевых зазоров валов, величин износа отдельных узлов и деталей, параметров рабочего процесса и проч. В ряде случаев для выполнения отдельных операций предусматривается и специальная технологическая оснастка.
Целесообразность создания новой МВИ, как таковой определяется разработчиком нового изделия или технологии, включающей в себя сложные измерительные задачи. Форма же документа определяется в основном степенью распространения методики. Аттестация производится метрологической службой предприятия, при наличии у нее соответствующей аккредитации, либо ГНМЦ или ГМС. Обязательным является также прохождение экспертизы в ГНМЦ. В результате аттестации утверждается документ, определяющий порядок выполнения измерений, либо раздел аналогичного назначения в составе иной документации. Помимо этого, на МВИ, входящие в сферу государственного регулирования, либо по требованию заказчика выдается свидетельство установленного образца. Контроль аттестованных методик осуществляется метрологической службой использующего их предприятия на основе правил ПР 50.2.002-94 «ГСИ. Порядок осуществления государственного метрологического надзора за выпуском, состоянием и применением средств измерений, аттестованными методиками выполнения измерений, эталонами и соблюдением метрологических правил и норм».
В процессе проведения мероприятий в рамках надзора контролируется наличие собственно аттестованного МВИ в той или иной форме, а также, при необходимости, и свидетельства об аттестации. Кроме того, проверяются фактически используемые СИ, оснастка и качество расходных расходных материалов, выясняется соответствие действительных условий выполнения замеров необходимым, квалификация персонала, соблюдение техники безопасности, правил охраны окружающей среды и т.д.
Порядок разработки и аттестации методик выполнения измерений определяет Ростехрегулирование. Аттестацию методик в сферах распространения государственного метрологического контроля и надзора осуществляют ГНМЦ, территориальные органы Государственной метрологической службы и другие организации, аккредитованные на право проведения аттестации. Аттестацию методик, применяемых вне сфер распространения государственного метрологического контроля и надзора, предприятия проводят в установленном ими порядке.
1.5.3. Методы измерений
Содержание:
Методы измерения (МИ) – способ получения результата измерений путем использования принципов и средств измерений.
МИ подразделяются на
Метод непосредственной оценки
Значение измеряемой величины снимается непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия.
Преимущество – быстрота измерений, обусловливающая незаменимость для практического применения. Недостаток – ограниченная точность.
Метод сравнения с мерой
Измеряемая величина сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой. Пример: измерение длины линейкой.
Преимущество – большая точность измерения, чем при методе непосредственной оценки. Недостаток – большие затраты времени на подбор мер.
Метод противоставления
Измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, единовременно действует на прибор сравнения, с помощью которого устанавливают соотношение между этими величинами.
Например, взвешивание на равноплечных весах, при котором измеряется масса, определяется как сумма массы гирь, ее уравновешивающих, и показаний по шкале весов.
Преимущество – уменьшение воздействия на результаты измерения факторов, влияющих на искажение сигналов измерительной информации. Недостаток – увеличение времени взвешивания.
Дифференциальный (разностный) метод
Характеризуется разностью измеряемой и известной (воспроизводимой мерой) величинами. Например, измерение путем сравнения с рабочим эталоном на компаторе, выполняемые при поверке мер длины.
Преимущество — получение результатов с высокой точностью, даже при применении относительно грубых средств для измерения разности.
Нулевой метод
Метод сравнения с мерой, в которой результирующий эффект воздействия на прибор сравнения доводят до нуля.
Метод совпадения
Метод сравнения с мерой, в которой разность между значениями искомой и воспроизводимой мерой величин измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов.
Преимущество – метод позволяет существенно увеличить точность сравнения с мерой. Недостаток – затраты на приобретение более сложных СрИзм, необходимость наличия профессиональных навыков у оператора.
Метод замещения
Основан на сравнении с мерой, при котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой, сохраняя все условия неизменными. Например, взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашку весов.
Преимущества – погрешность измерений мала, так как определяется в основном погрешностью меры и зоной нечувствительности прибора (ноль – индикатор). Недостаток – необходимость применения многозначных мер.
Косвенный метод измерения
Измерение физической величины одного наименования, связанной с другой искомой величиной, определенной функциональной зависимостью, с последующим расчетом путем решения управления. Косвенные методы широко применяются при химических методах испытания.
Преимущества – возможность измерения величин, для которых отсутствуют методы непосредственной оценки или они не дают достоверных результатов или связаны со значительными затратами. Недостатки – повышенные затраты времени и средств на измерение.
1.6. Организация Государственной метрологической службы
Государственная метрологическая служба России (ГМС) представляет собой совокупность государственных метрологических органов и создаётся для управления деятельностью по обеспечению единства измерений.
Общее руководство ГМС осуществляет Госстандарт РФ, на который Законом «Об обеспечении единства измерений» возложены следующие функции:
В состав ГМС входят семь государственных научных метрологических центров, Всероссийский научно-исследовательский институт метрологической службы (ВНИИМС) и около 100 центров стандартизации и метрологии.
Деятельностью этих служб руководит Госстандарт РФ, который координирует их работу с работой ГМС на основе единой технической политики.
Права и обязанности
Права и обязанности структурных подразделений метрологической службы в центральном аппарате, в головных и базовых организациях метрологической службы, а также на предприятиях и в организациях определяются Положением о метрологической службе государственного органа управления или юридического лица, утверждаемые их руководителем.
Деятельность метрологических служб поддерживается законодательными и нормативными документами, регламентирующими различные направления, в том числе по метрологическому обеспечению производства и сертификации систем качества; эталонами и средствами измерений, контроля и испытаний; специалистами, имеющими профессиональную специальную подготовку, квалификацию и опыт в выполнении метрологических работ и услуг.
Финансрование
Финансирование работ по выполнению задач головной организацией осуществляется из централизованных фондов соответствующего государственного органа управления, а для базовой организации – из специально создаваемых внебюджетных фондов.
Метрологические службы предприятий могут быть аккредитованы на право калибровки средств измерений на основе договоров, заключаемых с государственными научными метрологическими центрами или органами ГМС.
О методиках и методах измерений
О.Н. Устьянцева, зам.начальника отдела теплотехнических измерений ФГУ «Тест-С. Петербург»
В развитие действующего Федерального закона «Об обеспечении единства измерений», направленного на сближение нашей нормативной базы с международными директивами, разработан ряд новых нормативных документов, а также приведены в соответствии с Законом некоторые ГОСТы. К их числу относится и ГОСТ Р 8.563-2009 «ГСП Методики (методы) измерений». Однако, название ГОСТ повторяет некорректное определение понятий «методики» и «методы», данное в Законе.
Во-первых, такое пояснение не соответствует определениям, указанным в действующих РМГ 29-99 «ГСИ. Метрология. Основные термины и определения». Терминам «методики измерений» и «метод измерений» даны самостоятельные определения.
Во-вторых, метрологи-практики всегда понимали, что «метод» и «методика» это не одно и тоже. Любая методика измерений реализуется на основе того или иного метода измерений при помощи средства измерений определенного принципа действия.
Поскольку, на измерение тепловой энергии распространяются сразу три Закона: «Об обеспечении единства измерений», «Об энергосбережении» и «О теплоснабжении» следует точно определиться с методами и методиками измерения тепловой энергии, т. к. поставщики тепла требуют методики измерений от каждого потребителя тепловой энергии, будь то крупное предприятие, школа или жилой дом, ссылаясь на статью 5 Закона «Об обеспечении единства измерений». Любые неясности в этих вопросах станут камнем преткновения в организации приборного учета энергоресурсов у потребителей.
В статье 5 Закона «Об обеспечении единства измерений» указывается:
п.1.«Измерения, относящиеся к сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений, должны выполняться по аттестованным методикам (методам) измерений, за исключением методик (методов) измерений, предназначенных для выполнения прямых измерений с применением средств измерений утвержденного типа, прошедших поверку».
Несмотря на то, что в МИ 2714-2002 указано несколько уравнений измерения тепловой энергии и тепло- вычислители имеют возможность рассчитывать тепловую энергию по любому из них, на практике используется чаще всего один алгоритм, где определяется разность масс теплоносителя по двум расходомерам. Известно, что относительная погрешность измерения разности двух величин может во много раз превосходить относительную погрешность измерения каждой величины. Т.е., при определении тепловой энергии по такому алгоритму имеет место методическая ошибка, которая может достигать десятков процентов, хотя в Правилах установлено ± (4-6) %.
К числу нерешенных проблем с теплосчетчиками относятся разделение функций теплосчетчика на измерительные, с обязательным опломбированием доступа к ним поверителем, и учетные, с опломбированием базы данных вычислителя инспектором теплоснабжающей организации. Не углубляясь в проблемы реальных характеристик потоков теплоносителя в прямом и обратном трубопроводах, изготовители научили современные тепловычислители корректировать характеристики измерительных каналов расходомеров, установленных на разных трубопроводах, нужным образом. Такая автоподстройка алгоритма вычисления вводит в заблуждение потребителя или поставщика, в зависимости оттого, кто ее заказывает. Из-за всех этих проблем постепенно задача оснащения потребителей тепла теплосчетчиками переросла в задачу недопуска теплосчетчиков в эксплуатацию. Известно, что требования некоторых инспекторов теплоснабжающих предприятий к узлам учета потребителей давно вышли за рамки действующих Правил учета тепловой энергии. Много неясных вопросов с программным обеспечением приборов. Зачастую изготовители приборов по желанию заказчиков снабжают приборы избыточным программным обеспечением, которое, в большей степени, выполняет не измерительные функции, а различные дополнительные функции для облегчения ведения регулирующих и учетных операций на объекте. Разделить эти функции довольно сложно, а поэтому только при испытаниях можно определить влияние программного обеспечения на результат измерений и возможность защиты измерительной информации от доступа к ней.
Много лет на конференциях, посвященных коммерческому учету энергоресурсов, дискутируется вопрос о том, что мы измеряем «количество теплоты» или «тепловую энергию»? В Законе «О теплоснабжении» дали термин «тепловая энергии» и споры улеглись. Вот и с «методами» и «методиками» следует разобраться, так чтобы споры не отвлекали от насущных проблем, которых предостаточно.
Необходимо переработать ГОСТ 51649-2000 «Теплосчетчики для водяных систем теплоснабжения. Общие технические условия» с учетом всех особенностей российских систем теплоснабжения, разобраться с методами и методиками измерения тепловой энергии и решить вопрос о необходимости отнесения или нет теплосчетчиков к измерительным системам.
В разработанном перечне средств измерений, поверка которых должна осуществляться только региональными центрами метрологии, теплосчетчики отсутствуют, но нерешенные вопросы остались. В перечень вошли индивидуальные счетчики воды и газа. Несомненно, это очень важный момент, т. к. государство стоит на страже интересов человека, однако непонятно, почему ЦСМ, которые накопили многолетний опыт и имеют высокоточное поверочное оборудование, нацелены только на самые простые механические счетчики. Приборы учета энергоресурсов функционально сложны и постоянно совершенствуются. Для них нужна и высокоточная эталонная база, и системный подход в организации метрологического обеспечения,которое в настоящее время несовершенно и требует пересмотра.
Благодаря накопленному опыту и совместной работе с энергоснабжающими организациями метрологи-практики могут оказать существенную помощь в решении многих проблем, связанных с обеспечением единства измерений в области измерения тепловой энергии.
Лекция 2. Виды и методы измерений
Описание
1. Основные понятия и определения. Виды измерений.
2. Методы измерений.
3. Понятие о точности измерений.
4. Основы обеспечения единства измерений
Оглавление
1. Основные понятия и определения. Виды измерений
Измерение — совокупность операций по применению системы измерений для получения значения измеряемой физической величины.
Измерения могут быть классифицированы по метрологическому назначению на три категории:
Ненормированные – измерения при ненормированных метрологических характеристиках.
Технические – измерения при помощи рабочих средств измерений.
Метрологические – измерения при помощи эталонов и образцовых средств измерений.
Ненормированные измерения наиболее простые. В них не нормируются точность и достоверность результата. Поэтому область их применения ограничена. Они не могут быть применены в области, на которую распространяется требование единства измерений. Каждый из нас выполнял ненормированные измерения длины, массы, времени, температуры не задумываясь о точности и достоверности результата. Как правило, результаты ненормированных измерений применяются индивидуально, т.е. используются субъектом в собственных целях.
Технические измерения удовлетворяют требованиям единства измерений, т.е. результат бывает получен с известной погрешностью и вероятностью, записывается в установленных единицах физических величин, с определённым количеством значащих цифр. Выполняются при помощи средств измерений с назначенным классом точности, прошедших поверку или калибровку в метрологической службе. В зависимости от того, предназначены измерения для внутрипроизводственных целей или их результаты будут доступны для всеобщего применения, необходимо выполнение калибровки или поверки средств измерений. Средство измерений, прошедшее калибровку или поверку, называют рабочим средством измерений. Примером технических измерений является большинство производственных измерений, измерение квартирными счётчиками потреблённой электроэнергии, измерения при взвешивании в торговых центрах, финансовые измерения в банковских терминалах. Средство измерений, применяемое для калибровки других средств измерений, называют образцовым средством измерений. Образцовое средство измерений имеет повышенный класс точности и хранится отдельно, для технических измерений не применяется.
Метрологические измерения не просто удовлетворяют требованиям единства измерений, а являются одним из средств обеспечения единства измерений. Выполняются с целью воспроизведения единиц физических величин для передачи их размера образцовым и рабочим средствам измерений. Метрологические измерения выполняет метрологическая служба в стандартных условиях, сертифицированным персоналом.
В дисциплине «Метрология, стандартизация и сертификация» рассматриваются технические измерения.
Можно выделить следующие виды измерений.
1) По характеру зависимости измеряемой величины от времени методы измерений подразделяются на:
2) По способу получения результатов измерений (виду уравнений измерений) методы измерений разделяют на прямые, косвенные, совокупные и совместные.
При прямом измерении искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных (например, измерение диаметра штангенциркулем).
При косвенном измерении искомое значение величины определяют на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям.
Совместными называют измерения двух или нескольких не одноимённых величин, производимые одновременно с целью нахождения функциональной зависимости между величинами (например, зависимости длины тела от температуры).
Совокупные – это такие измерения, в которых значения измеряемых величин находят по данным повторных измерений одной или нескольких одноименных величин (при различных сочетаниях мер или этих величин) путем решения системы уравнений.
3) По условиям, определяющим точность результата измерения, методы делятся на три класса.
Измерении максимально возможной точности (например, эталонные измерения), достижимой при существующем уровне техники.
Контрольно-поверочные измерения, погрешность которых с определенной вероятностью не должна превышать некоторое заданное значение.
Технические измерения, в которых погрешность результата определяется характеристиками средств измерения.
4) По способу выражения результатов измерений различают абсолютные и относительные измерения.
Абсолютное измерение основано на прямых измерениях величины и (или) использования значений физических констант.
При относительных измерениях величину сравнивают с одноименной, играющей роль единицы или принятой за исходную (например, измерение диаметра вращающейся детали по числу оборотов соприкасающегося с ней аттестованного ролика).
5) В зависимости от совокупности измеряемых параметров изделия различают поэлементный и комплексный методы измерения.
Поэлементный метод характеризуется измерением каждого параметра изделия в отдельности (например, эксцентриситета, овальности, огранки цилиндрического вала).
Комплексный метод характеризуется измерением суммарного показателя качества (а не физической величины), на который оказывают влияние отдельные его составляющие (например, измерение радиального биения цилиндрической детали, на которое влияют эксцентриситет, овальность и др.).
2. Методы измерений
Метод измерений – прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. Можно выделить следующие методы измерений.
По способу получения значения измеряемых величин различают два основных метода измерений.
Метод непосредственной оценки – метод измерения, при котором значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия.
Метод сравнения с мерой – метод измерения, при котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.
Разновидности метода сравнения:
При измерении линейных величин независимо от рассмотренных методов различают контактный и бесконтактный методы измерений.
В зависимости от измерительных средств, используемых в процессе измерения, различают:
3. Понятие о точности измерений
Точность результата измерения – характеристика качества измерения, отражающая близость к нулю погрешности его результата.
Эти погрешности являются следствием многих причин: несовершенства средств измерений, метода измерений, опыта оператора; недостаточной тщательности проведения измерения; воздействия внешних условий и т.д. Для оценки степени приближения результатов измерения к истинному значению измеряемой величины используются методы теории вероятности и математической статистики, что позволяет с определенной достоверностью оценить границы погрешностей, за пределы которых они не выходят. Это дает возможность для каждого конкретного случая выбрать средства и методы измерения, обеспечивающие измерение результата, погрешности которого не превышают заданных границ с требуемой степенью доверия к результатам измерений (достоверностью).
Класс точности – обобщённая метрологическая характеристика средства измерения.
Класс точности определяется и обозначается по-разному. Наибольшее распространение получили три варианта, каждый представляет собой выраженное в процентах значение относительной погрешности:
– относительно измеренного значения (относительная погрешность),
– относительно максимального значения шкалы (приведённая погрешность),
– относительно участка шкалы (приведённая к участку шкалы погрешность).
Рассмотрим эти три варианта.
Вариант 1. Относительная погрешность.
Чтобы по классу точности определить значение абсолютной погрешности, результат измерения умножают на класс точности и делят на сто, чтобы избавиться от процентов. Например, вольтметром класса точности 0,1 получено значение 10,000 В.
Абсолютная погрешность составит: (10,000 В ∙ 0,1 %) / 100 % = 0,010 В. Запись результата: (10,000 ± 0,010) В, с вероятностью 95 % (эта вероятность по умолчанию назначается для технических измерений, исходя из этой вероятности определяется и класс точности). При нормировании по относительной погрешности, значение класса точности заключают в кружок. Как правило, обозначение класса точности размещают в правом нижнем углу на шкале средства измерений.
Вариант 2. Приведённая погрешность.
Чтобы по классу точности определить значение абсолютной погрешности, максимальное значение шкалы умножают на класс точности и делят на сто, чтобы избавиться от процентов. Например, вольтметром класса точности 0,1 получено значение 10,000 В. Максимальное значение шкалы составляет 20,000 В.
Абсолютная погрешность составит: (20,000 В ∙ 0,1 %) / 100 % = 0,020 В. Запись результата: (10,000 ± 0,020) В, с вероятностью 95 %. При нормировании по приведённой погрешности, значение класса точности не сопровождают никакими знаками.
Вариант 3. Приведённая к участку шкалы погрешность.
Чтобы по классу точности определить значение абсолютной погрешности, размер участка шкалы умножают на класс точности и делят на сто, чтобы избавиться от процентов. Рассмотрим два примера, для случая, когда вся шкала поделена на два участка.
Пример 1. Участок шкалы от 0,000 В до 12,000 В, отмечен галочкой. Вольтметром класса точности 0,1 получено значение 10,000 В.
Абсолютная погрешность составит: (12,000 В ∙ 0,1 %) / 100 % = 0,012 В. Запись результата: (10,000 ± 0,012) В, с вероятностью 95 %.
Пример 2. Участок шкалы от 12,000 В до 20,000 В, также отмечен галочкой. Вольтметром класса точности 0,1 получено значение 15,000 В.
Абсолютная погрешность составит: (8,000 В ∙ 0,1 %) / 100 % = 0,008 В. Запись результата: (15,000 ± 0,008) В, с вероятностью 95 %. При нормировании по приведённой к участку шкалы погрешности, значение класса точности помещают над галочкой. Участки шкалы, относительно которых нормируется погрешность, обозначают галочками.
Варианты классов точности обусловлены отличием конструктивных, системных и схемотехнических решений средств измерений.
Корректная запись результатов
Запись результатов измерений производится по следующим правилам.
1) Погрешность указывается двумя значащими цифрами, если первая равна 1 или 2. Погрешность указывается одной значащей цифрой, если первая равна 3 или более. Все остальные цифры должны быть не значащими.
Значащей цифрой называется любая цифра числа, записанного в виде десятичной дроби, начиная слева с первой отличной от нуля цифры, независимо от того, где она находится – до запятой или после запятой.
2) Результат измерения округляется в соответствии с его погрешностью, т.е. записывается с той же точностью, что и погрешность.
Рассмотрим пример. Результат измерения: 10,645701, погрешность 0,012908.
1) Рассматриваем погрешность. Первая значащая цифра 1, поэтому оставляем две значащие цифры, округляя, записываем: 0,013.
2) Рассматриваем результат измерения. Погрешность записана с точностью до третьего знака после запятой, поэтому в результате также оставим три знака. Округляя, записываем: 10,646.
Корректная запись: 10,646 ± 0,013.
Корректная запись обеспечивает адекватность и сопоставимость результатов различных измерений и является одним из элементов единства измерений. Как правило, отбрасывание избыточных цифр не приводит к дополнительной погрешности, поскольку избыточные цифры обусловлены точностью вычислений, а не точностью измерений.
4. Основы обеспечения единства измерений
Специализация и кооперирование производства в масштабах страны, основанные на принципах взаимозаменяемости, требуют обеспечения и сохранения единства измерений.
Обеспечение единства измерений – деятельность метрологических служб, направленная на достижение и поддержание единства измерений в соответствии с правилами, требованиями и нормами, установленными государственными стандартами и другими нормативно-техническими документами в области метрологии.
В 1993 г. был принят Закон Российской Федерации «Об обеспечении единства измерений», который устанавливает правовые основы обеспечения единства измерений в нашей стране. Он состоит из семи разделов: общие положения; единицы величин, средства и методики выполнения измерений; метрологические службы; государственный метрологический контроль и надзор; калибровка и сертификация средств измерений; ответственность за нарушение закона и финансирование работ по обеспечению единства измерений. В Законе дано следующее определение понятия «единство измерения»:
«Единство измерения – состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах величин и погрешности измерений не выходят за установленные границы с заданной вероятностью».
Обеспечение единства измерений является задачей метрологических служб.
Метрологическая служба – совокупность субъектов, деятельности и видов работ, направленных на обеспечение единства измерений.
Закон определяет, что Государственная метрологическая служба находится в ведении Госстандарта России и включает: государственные научные метрологические центры; органы Государственной метрологической службы регионов страны, а также городов Москва и Санкт-Петербург.