Методы измерений

Методика измерений — это технология выполнения измерений с целью наи­лучшей реализации метода.

Метод измерений – прием или совокупность приемов сравнения измеряемой ФВ с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. Под принципом понимается физическое явление или эффект, положенный в основу измерений. Например, измерение силы тяжести при измерении массы тела, измерение длины линейкой или скоростью прохождения лазерного луча от средства измерения к объекту и обратно.

Прямые измерения — основа более сложных измерений, и поэтому целесообразно рассмотреть методы прямых измерений.

Различают:

1. Метод непосредственной оценки, при котором значение ве­личины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора. Например, измерение давления пружин­ным манометром, массы — на весах, силы электрического тока — амперметром.

2. Метод сравнения с мерой, где измеряемую величину сравни­вают с величиной, воспроизводимой мерой. Например, измере­ние массы на рычажных весах с уравновешиванием гирей; изме­рение напряжения постоянного тока на компенсаторе сравнени­ем с ЭДС параллельного элемента.

3. Метод дополнения, если значение измеряемой величины до­полняется мерой этой же величины с таким расчетом, чтобы на прибор сравнения воздействовала их сумма, равная заранее за­данному значению.

4. Дифференциальный метод характеризуется измерением раз­ности между измеряемой величиной и известной величиной, вос­производимой мерой. Метод позволяет получить результат высо­кой точности при использовании относительно грубых средств измерения.

Для измерения физической величины необходимо создать ряд условий:

• возможность выделения измеряемой величины среди других величин;

• возможность установления единицы, необходимой для измерения выделенной величины;

• возможность материализации (воспроизведения и хранения) установленной единицы техническими средствами;

• возможность сохранения неизменным размера единицы (в пределах установленной точности) как минимум на срок, необходимый для измерений.

Равноточные измерения – это ряд измерений физической величины, выполненных одинаковыми по точности средствами измерений и в одних и тех же условиях.

Неравноточные измерения – это ряд измерений, выполненных различными по точности средствами измерений и (или) в несколько разных условиях.

Однократные измерения – это измерение выполненное один раз.

Многократное измерение – это измерение одного и того же размера физической величины, результат которого получен из нескольких следующих друг за другом измерений, т.е. состоящее из ряда однократных измерений. При четырех измерениях и более, входящих в ряд, измерение можно считать многократным. За результат многократного измерения обычно применяют среднее арифметическое значение из отдельных измерений.

Статическое измерение – это измерение физической величины, принимаемой в соответствии с конкретной измерительной задачей за неизменную на протяжении времени измерения. Например, измерение диаметра детали при нормальной температуре.

Динамическое измерение – это измерение изменяющейся по размеру физической величины и, если необходимо, ее изменения во времени. Например, измерение переменного напряжения электрического тока.

Технические измерения – это измерения с помощью рабочих средств измерений. Применяются с целью контроля и управления.

Метрологические измерения - это измерения с помощью эталонов и образцовых средств измерений с целью воспроизведения единиц физических величин для передачи их размера рабочим средствам измерений.

Абсолютное измерение – это измерение, основанное на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и использовании значений физических констант.

Относительное измерение – это измерение отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или изменения величины по отношению по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.

Прямые измерения – это измерения, проводимые прямым методом, при котором искомое значение величины получают непосредственно. Например, измерение длины стола линейкой.

Косвенные измерения – это измерения, проводимые косвенным методом, при котором искомое значение физической величины определяется на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной. Например, определение площади стола по значениям его ширины B и длины L. Эти величины связаны между собой уравнением S= B·L.

Приведенные виды измерений включают различные методы, т. е. способы решения измерительной задачи с теоретическим обо­снованием и разработкой использования средств измерений по принятой методике выполнения измерений.

Погрешности измерений

При практическом использовании тех или иных измерений важно оценить их точность. Термин "точность измерений", т. е. степень при­ближения результатов измерения к некоторому действительному зна­чению, не имеет строгого определения и используется для качествен­ного сравнения измерительных операций. Для количественной оцен­ки используется понятие "погрешность измерений" (чем меньше погрешность, тем выше точность). Оценка погрешности измерений — одно из важных мероприятий по обеспечению единства измерений. Эти погрешности являются следствием многих причин: несовершенства средств измерений, метода измерений, опыта оператора, недостаточной тщательности проведения измерения, воздействия внешних условий и т.д. Поэтому для практических целей достаточно рассмотреть случайные и систематические состав­ляющие общей погрешности, выраженные в абсолютных и отно­сительных единицах при прямых, косвенных, совокупных и рав­ноточных измерениях.

К систематическим погрешностям относят составляющую погрешности измерений, которая остается постоянной или закономерно изменяется при повторных измерениях одной и той же величины. Как правило, систематические погрешности могут быть в большинстве случаев изучены до начала измерений, а результат измерения может быть уточнен за счет внесения поправок, если их числовые значения определены.

К случайным погрешностям измерения относят составляющие погрешности измерений, которые изменяются случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины.

В отличие от систематических погрешностей случайные погрешности нельзя устранить заранее. Однако уточнить результат измерения можно за счет проведения повторных измерений, т.е. найти значение измеряемой величины, более близкое к истинному, чем результат одного измерения. Эти погрешности являются следствием, например, изменений внешних условий измерений случайного характера, погрешности округления при снятии отсчета и т.п.

Промахами и грубыми погрешностями называют погрешности измерения, которые значительно превышают ожидаемые при данных условиях измерений систематические или случайные погрешности. Если результаты измерений используются в расчетах, то перед этим необходимо устранить измерения, содержащие грубые погрешности. Основными причинами этих погрешностей являются: ошибки экспериментатора; резкое и неожиданное изменение условий измерения; неисправность прибора и т.п. для выявления грубых погрешностей используют методы математической статистики.

Погрешность измерения х_изм— это отклонение результата из­мерения х от истинного х_и (действительного) (х_д ) значения изме­ряемой величины:

х_изм = х - х_д (2.1)

В зависимости от формы выражения различают абсолютную, относительную и приведенную погрешности измерения.

Абсолютная погрешность определяется как разность

 = х - х_и (2.2)

или  = х - х_д (2.3)

Относительная погрешность — как отношение абсолютной погрешности к истинному значению (действительному).

  или   (2.4)

Приведенная погрешность

γ = ± 100% , (2.5)

где х_N— нормированное значение величины (может быть задана в нормативной документации для определенного объекта).

В качестве истинного значения при многократных измерениях параметра выступает среднее арифметическое значение X

X_u=X= (2.6)

Величина х, полученная в одной серии измерений, является случайным приближением к истинному значению измеряемой величины х_и . Для оценки ее возможных откло­нений от х_и определяют опытное среднее квадратическое откло­нение (СКО)

σ_х= (2.7)

Формулы (2.6) и (2.7) соответствуют центральной предельной теореме теории вероятностей, согласно которой средняя арифметическая погрешность измерений равна:

(2.8)

Среднее арифметическое из ряда измерений всегда имеет мень­шую погрешность, чем погрешность каждого определенного из­мерения. Это отражает и формула (2.8), определяющая фундамен­тальный закон теории погрешностей. Из него следует, что если необходимо повысить точность результата (при исключенной си­стематической погрешности) в 2 раза, то число измерений нужно увеличить в 4 раза; если требуется увеличить точность в 3 раза, то число измерений увеличивают в 9 раз и т. д. Нужно четко разграничивать применение σ_х^- и σ_х : величина σ_х^- используется при оценке погрешностей окончательного результата, а σ_х — при оценке погрешности метода измерения.