1. Понятие об измерениях .Виды и методы измерений. Средства измерений, параметры

измерений.

Измерение физической величины – совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины 3.

В простейшем случае, прикладывая линейку с делениями к какой-либо детали, по сути сравнивают ее размер с единицей, хранимой линейкой, и, произведя отсчет, получают значение величины (длины, высоты, толщины и других параметров детали). С помощью измерительного прибора сравнивают размер величины, преобразованной в перемещение указателя, с единицей, хранимой шкалой этого прибора, и проводят отсчет.

Определение понятия "измерение" удовлетворяет общему уравнению измерений, что имеет существенное значение в деле упорядочения системы понятий в метрологии. В нем учтена техническая сторона (совокупность операций), раскрыта метрологическая суть измерений (сравнение с единицей) и показан гносеологический аспект (получение значения величины).

 

3.2. Виды измерений

 

Область измерений – совокупность измерений физических величин, свойственных какой-либо области науки или техники и выделяющихся своей спецификой. Примечание – Выделяют ряд областей измерений: механические, магнитные, акустические, измерения ионизирующих излучений и др.

Вид измерений – часть области измерений, имеющая свои особенности и отличающаяся однородностью измеряемых величин. Пример – В области электрических и магнитных измерений могут быть выделены как виды измерений: измерения электрического сопротивления, электродвижущей силы, электрического напряжения, магнитной индукции и др.

Существует несколько видов измерений.

По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения разделяются на:

       статические измерения;

       динамические измерения.

По способу получения результатов измерений их разделяют на:

       прямые;

       косвенные;

       совокупные;

       совместные.

По условиям, определяющим точность результата, измерения делятся на:

       метрологические измерения;

       контрольно-поверочные измерения;

       технические измерения.

По способу выражения результатов различают:

       абсолютные измерения;

       относительные измерения.

По характеристике средства измерения различают:

       равноточные измерения;

       неравноточные измерения.

По числу измерений в ряду измерений:

       однократные измерения;

       многократные измерения.

 

3.3. Средства измерений

 

Средство измерений – техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени.

Приведенное определение вскрывает суть средства измерений, заключающуюся, во-первых, в "умении" хранить (или воспроизводить) единицу физической величины; во-вторых, в неизменности размера хранимой единицы. Эти важнейшие факторы и обусловливают возможность выполнения измерения (сопоставление с единицей), т. е. "делают" техническое средство средством измерений. Если размер единицы в процессе измерений изменяется более чем установлено нормами, таким средством нельзя получить результат с требуемой точностью. Это означает, что измерять можно лишь тогда, когда техническое средство, предназначенное для этой цели, может хранить единицу, достаточно неизменную по размеру (во времени).

При оценивании величин по условным шкалам шкалы выступают как бы "средством измерений" этих величин

Средства измерений делятся на:

1.  Рабочее средство измерений – средство измерений, предназначенное для измерений, не связанных с передачей размера единицы другим средствам измерений.

2.  Основное средство измерений – средство измерений той физической величины, значение которой необходимо получить в соответствии с измерительной задачей.

3.  Вспомогательное средство измерений – средство измерений той физической величины, влияние которой на основное средство измерений или объект измерений необходимо учитывать для получения результатов измерений требуемой точности.

4.  Стандартизованное средство измерений – средство измерений, изготовленное и применяемое в соответствии с требованиями государственного или отраслевого стандарта.

5.  Нестандартизованное средство измерений – средство измерений, стандартизация требований к которому признана нецелесообразной.

6.  Автоматическое средство измерений – средство измерений, производящее без непосредственного участия человека измерения и все операции, связанные с обработкой результатов измерений, их регистрацией, передачей данных или выработкой управляющего сигнала.

7.  Автоматизированное средство измерений – средство измерений, производящее в автоматическом режиме одну или часть измерительных операций.

8.  Мера физической величины – средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью. Различают следующие разновидности мер:

       однозначная мера – мера, воспроизводящая физическую величину одного размера (например, гиря 1 кг);

       многозначная мера – мера, воспроизводящая физическую величину разных размеров (например, штриховая мера длины);

       набор мер – комплект мер разного размера одной и той же физической величины, предназначенных для применения на практике как в отдельности, так и в различных сочетаниях (например, набор концевых мер длины);

       магазин мер – набор мер, конструктивно объединенных в единое устройство, в котором имеются приспособления для их соединения в различных комбинациях (например, магазин электрических сопротивлений).

9.  Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне. По способу индикации значений измеряемой величины измерительные приборы разделяют на показывающие и регистрирующие. По действию измерительные приборы разделяют на интегрирующие и суммирующие. Различают также приборы прямого действия и приборы сравнения, аналоговые и цифровые приборы, самопишущие и печатающие приборы.

2. метрологические характеристики средств измерений.Динамические характеристики средств измерения.

Все средства измерений независимо от их исполнения имеют ряд общих свойств, необходимых для выполнения ими функционального назначения. Технические характеристики, описывающие эти свойства и оказывающие влияние па результаты и погрешности измерений, называются метрологическими характеристиками средств измерений.

В зависимости от специфики и назначения средств измерений нормируются различные наборы или комплексы метрологических характеристик. Однако эти комплексы должны быть достаточны для учета свойств средств измерений при оценке погрешностей измерений.

Набор метрологических характеристик, входящие н установленный комплекс, выбирают такими образом, чтобы обеспечить возможность их контроля при приемлемых затратах. В эксплуатационной документации на средства измерений указывают рекомендуемые методы расчета инструментальной составляющей погрешности измерений при использовании средств измерения данного типа в реальных условиях применения.

По ГОСТ 8.009-84 «ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений» предусмотрена следующая номенклатура метрологических характеристик:

1. Характеристики, предназначенные для определения результатов измерений (без введения поправок):

   • функция преобразования измерительного преобразователя — ƒ(x);

   • значение однозначной или многозначной меры — у;

   • цена деления шкалы измерительного прибора или многозначной меры;

   • вид входного кода, число разрядов кода, цена единицы наименьшего разряда средств измерений, предназначенных для выдачи результатов в цифровом коде.

2. Характеристики погрешностей средств измерений включают: значение по-грешности, ее систематические и случайные составляющие, погрешности случайной составляющей Δ_слH от гистерезиса — вариация H выходного сигнала (показания).

Для систематической составляющей Δ_сист погрешности средств измерений выбирают характеристики из числа следующих:

• значение систематической составляющей Δ_сист;

• значение систематической составляющей Δ_сист, математическое ожидание M[Δ_сист] и среднее квадратическое отклонение σ[Δ_сист] систематической составляющей погрешности.

Для случайной составляющей Δ_сл погрешности выбирают характеристики из числа следующих:

• среднее квадратическое отклонение σ[Δ_сл] случайной составляющей погрешности;

• среднее квадратическое отклонение σ[Δ_сл] случайной составляющей погрешности и нормализованная автокорреляционная функция r_Δсл или функция спектральной плотности S_Δсл (ω) случайной составляющей погрешности.

В нормативно-технической документации на средства измерений конкретных видов или типов допускается нормировать функции или плотности распределения вероятностей систематической и случайной составляющих погрешности.

3. Характеристики чувствительности средств измерений к влияющим величинам выбираются из числа следующих:

   • функция влияния Ψ(ζ)

   • О изменения ε(ζ) значений метрологических характеристик средства измерения, вызванные изменением влияющих величин в установленных пределах.

4. Динамические характеристики отражают инерционные свойства средства измерений при воздействии на него меняющихся во времени величин параметров входного сигнала, внешних влияющих величин, нагрузки.

По степени полноты описания инерционных свойств средств измерений динамические характеристики делятся на полные и частные.

К полным динамическим характеристикам относятся:

• дифференциальное уравнение, описывающее работу средства измерений;

• передаточная функция;

• переходная характеристика;

• импульсная переходная характеристика;

• амплитудно-фазовая характеристика;

• амплитудно-частотная характеристика для минимально-фазовых средств измерения;

• совокупность амплитудно-фазовых и фазово-частотных характеристик.

Частичными динамическими характеристиками могут быть отдельные параметры полных динамических характеристик или характеристики, не отражающие полностью динамических свойств средств измерений, но необходимые для выполнения измерений с требуемой точностью (например, время реакции, коэффициент демпфирования, значение амплитудно-частотной характеристики на резонансной частоте, значение резонансной собственной круговой частоты). Комплекс их оговаривается в соответствующих стандартах.

Нормы на отдельные метрологические характеристики приводятся в эксплуатационной документации (паспорте, техническом описании, инструкции по экс-плуатации и т. д.) в виде номинальных значений, коэффициентов функций, заданных формулами, таблицами или графиками пределов допускаемых отклонений от номинальных значений функций.

3. Сведения о точности и погрешности измерений .Оценка и учет систематических и случайных погрешностей.Нормальный закон распределения погрешностей.Оценка погрешностей измерительных систем при технических измерениях.

Погрешность результата измерения – отклонение результата измерения от истинного (действительного) значения измеряемой величины. Истинное значение величины неизвестно, его применяют только в теоретических исследованиях. На практике используют действительное значение величины x_Д, в результате чего погрешность измерения ∆x_изм определяют по формуле:∆x_{изм =} x_изм - x_Д,                                                                                                       (2)

где ∆x_изм – погрешность измерения; x_изм – измеренное значение величины.

Причинами возникновения погрешностей являются: несовершенство методов измерений, технических средств, применяемых при измерениях, органов чувств наблюдателя, причины, связанные с влиянием условий проведения измерений 7. Можно выделить следующие виды погрешностей:

1)  систематическая погрешность измерения;

2)  случайная погрешность измерения;

3)  инструментальная погрешность измерения;

4)  погрешность метода измерений;

5)  погрешность (измерения) из-за изменений условий измерения;

6)  субъективная погрешность измерения;

7)  неисключенная систематическая погрешность;

8)  абсолютная погрешность измерения;

9)  относительная погрешность измерения;

10)  статическая погрешность измерений;

11)  динамическая погрешность измерений;

12)  промах;

13)  погрешность средства измерений.

Закон распределения дает полную информацию о свойствах случайной величины и позволяет ответить на поставленные вопросы о результате измерения и его случайной погрешности.  Если перейти от переменной х, т. е. измеряемой величины, к переменной Δ, отражающей случайную погрешность, то дифференциальный закон (плотность вероятностей) распределения случайной погрешности Δ можно записать в общепринятом виде:

p(Δ) = dF(Δ) / dΔ                                                          (4.7)

где dF(Δ) — вероятность нахождения значений погрешности Δ в интервале dΔ.  Интегральным законом распределения случайной погрешности Δ называют функцию F(Δ _r), выражающую вероятность Ртого, что случайная погрешность находится в интервале от - ∞ до некоторого значения, меньшего граничного Δ _r:

                                       Δ_r F(Δ_r) = P(-∞< Δ < Δ)∫ p(Δ)dΔ                                                        (4.8)                                      -∞