Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Метрологические основы теплотехнических измерений. Учебное пособие
.pdf
11
При прямом измерении на вход средства измерений
или измерительной цепи, состоящей из нескольких средств измерений, поступает сигнал (воздействие) одной величины. Результатом измерения является количественное значение этой величины.
Примеры прямых измерений:
измерение давления манометром;
измерение температуры термометром;
измерение температуры комплектом, состоящим из термо-
преобразователя сопротивления, измерительного преобразователя с токовым выходом 4…20 мА и показывающего или регистри-
рующего прибора.
Различают следующие методы прямых измерений:
метод непосредственной оценки (значение измеряемой вели-
чины определяется непосредственно по показывающему прибору);
метод сравнения с мерой (метод противопоставления, диф-
ференциальный метод, нулевой метод и метод совпадений).
В широком смысле к прямым измерениям относят все изме-
рения с непосредственным отсчетом (метод непосредственной
оценки).
В Законе и РМГ29–2013 дано такое определение прямого из-
мерения:
«Прямое измерение – измерение, при котором искомое зна-
чение величины получают непосредственно от средства измерений».
Это определение практически полностью совпадает с опре-
делением метода непосредственной оценки, приведенным в РМГ
29–99.
«Метод непосредственной оценки – метод измерений, в ко-
тором значение величины определяют непосредственно по показывающему средству измерений».
Аналогичное по существу определение встречается также во
многих других источниках. При этом фактически происходит
смешение понятий «прямое измерение» и «метод непосредственной оценки».
Определение прямого измерения в тексте Закона было необ-
ходимо авторам этого Закона для простоты формулирования следующих положений.
12
«Измерения, относящиеся к сфере государственного регули-
рования обеспечения единства измерений, должны выполняться
по первичным референтным методикам (методам) измерений,
референтным методикам (методам) измерений и другим атте-
стованным методикам (методам) измерений, за исключением
методик (методов) измерений, предназначенных для проведения
прямых измерений, с применением средств измерений утвержденного типа, прошедших поверку».
«Методики (методы) измерений, предназначенные для вы-
полнения прямых измерений, вносятся в эксплутационную документацию на средства измерений. Подтверждение соответствия
этих методик (методов) измерений обязательным метрологическим требованиям к измерениям осуществляется в процессе утверждения типов данных средств измерений. В остальных случ аях подтверждение соответствия методик (методов) измерений
обязательным метрологическим требованиям к измерениям осуществляется путем аттестации методик (методов) измерений.
Сведения об аттестованных методиках (методах) измерений передаются в Федеральный информационный фонд по обеспечению
единства измерений проводящими аттестацию юридическими
лицами и индивидуальными предпринимателями».
Косвенные измерения
«Косвенное измерение – измерение, при котором искомое
значение величины определяют на основании результатов прямых измерений других величин, функционально связанных с искомой величиной» (РМГ 29–2013).
Структура прямого и косвенного измерений представлена на
рис. 1.1. При косвенном измерении величины Y измеряются несколько величин X1…Xj…Xk и затем по известной зависимости
Y = F(X1… Xj… Xk) и результатам прямых измерений x1… xj… x
k
вычисляется y – числовое значение величины Y. Вычисления могут производиться как человеком или вычислителем, в который
вручную вводятся результаты прямых измерений, так и вычислителем, входящим непосредственно в состав средства измерений.
Примерами косвенных измерений являются:
определение плотности газа по результатам измерений дав-
ления, температуры и состава;
измерение расхода методом переменного перепада давления;
измерение объемного расхода газа, приведенного к стандарт-
ным условиям.
13
Рис. 1.1. Структура прямого (а) и косвенного (б) измерений:
СИ – средство измерений; Выч. – вычислитель; X, Y – измеряемые
физические величины; x, y – результат измерений
Современные микропроцессорные средства измерений выполняют вычисления, необходимые для получения результата
косвенного измерения. При этом искомое значение величины получают непосредственно от средства измерений, т.е. методом непосредственной оценки.
Например, при косвенном измерении объема газа, приведенного к стандартным условиям, современными комплексными
датчиками расхода (СуперФлоу-21В, ГиперФлоу-3Пм, Rosemount
3095 SMV и др.) проводятся прямые измерения давления, перепада давления, температуры и времени. Кроме того, в датчик
вводится или поступает от хроматографа информация о составе
газа. На основе полученных таким образом результатов прямых
измерений вычислитель, входящий в состав датчика, рассчитывает расход и объем газа, приведенный к стандартным условиям.
В целом термин «косвенное измерение» нужно признать неудачным. Он не отражает сущности такого измерения. Строго говоря, все измерения являются прямыми.
1.3. Методы и методики измерений
«Метод измерений (measurement method) – прием или сово-
купность приемов сравнения измеряемой величины с ее единицей
или соотношения со шкалой в соответствии с реализованным
принципом измерений» (РМГ 29–2013).
14
«Принцип измерений (measurement principle) – явление мате-
риального мира, положенное в основу измерений» (РМГ 29–2013).
«Методика (выполнения) измерений – установленная логиче-
ская последовательность операций и правил при измерении, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений в соответствии с принятым методом» (РМГ 29–2013).
Определения в VIM3:
«Метод измерений (measurement method) – общее описание
логической последовательности операций при измерении».
«Методика измерений (measurement procedure) – детальное
описание измерения в соответствии с одним или более принципами измерений и данным методом измерений, которое основано
на модели измерений и включает вычисления, необходимые для
получения результата измерения».
Принятый в российской метрологической литературе термин
«методика выполнения измерений» соответствует международ-
ному термину «измерительная процедура».
В Законе приведено иное определение:
«Методика (метод) измерений – совокупность конкретно
описанных операций, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с установленными показателями точности».
Как правило, необходимость в разработке методики выпол-
нения измерений возникает тогда, когда измерительная процедура может вносить существенный вклад в погрешность (неопределенность) результатов измерений.
В VIM3, РМГ 99–2013 и Законе появился такой термин, как
референтная методика измерений.
«Референтная методика измерений – методика измерений,
принятая для получения результатов измерений, которые могут
быть использованы для оценки правильности измеренных значений величины, полученных по другим методикам измерений величин того же рода, а также для калибровки или для определения
характеристик стандартных образцов».
1.4. Характеристики точности результата измерений
Для качественной и количественной оценки результатов из-
мерений используются различные понятия и термины.
15
«Точность результата измерения (measurement accuracy) –
близость измеренного значения к истинному значению измеряемой величины» (РМГ 29–2013).
«Истинное значение (величины) (true quantity value) – значе-
ние величины, которое соответствует определению измеряемой
величины» (РМГ29–2013).
«Правильность (измерений) (measurement trueness) – близость
среднего арифметического бесконечно большого числа повторно
измеренных значений величины к опорному значению величины»
(РМГ29–2013).
Правильность измерений отражает близость к нулю систематической погрешности измерений.
«Погрешность (результата измерения) (measurement error) –
разность между измеренным значением величины и опорным
значением величины» (РМГ 29–2013).
В РМГ 29–2013 для перевода термина «погрешность» на русский язык использован французский текст Международного словаря VIM3.
В РМГ 91–2009 «ГСИ. Совместное использование понятий
«погрешность измерения» и «неопределенность измерения» приводится перевод с английского текста.
«Погрешность результата измерения (measurement error) –
измеренное значение величины минус опорное значение величины».
В таком определении просто описана формула
∆ = X
изм
– Х
, (1.2)
оп
где ∆ – погрешность;
X
– измеренное значение величины;
изм
Х
– опорное значение величины.
оп
В РМГ 29–99 приводилось иное определение погрешности:
«Погрешность результата измерения – отклонение резуль-
тата измерения от истинного (действительного) значения измеряемой величины».
Под действительным (условно истинным) понимается такое
значение, отклонением которого от истинного для данной конкретной измерительной задачи можно пренебречь.
Несколько размытая формулировка термина «погрешность»
как «отклонение» привела к тому, что часто этот термин в рос-
16
сийских документах, в том числе и нормативных, используется
не вполне корректно.
Этот термин часто применяют вместо таких терминов, как:
«предел погрешности» или «пределы погрешности», а также
«доверительные границы погрешности». При этом знак «±» или
отсутствие знака означает, что значение погрешности находится
в пределах от –Δx до +Δx. «Предел погрешности» или «пределы
погрешности» означают, что отклонение измеренного значения
x
не превышает ±Δx от действительного значения измеряемой
изм
величины xд;
«доверительные границы погрешности» – это результат оцен-
ки погрешности, которая может возникнуть при измерениях. Они
означают, что результат измерений с доверительной вероятностью
Р ≤ 1,0 может находиться в области, отстоящей от действительно-
го значения измеряемой величины xд в области от –Δx до +Δx.
В настоящее время вместо истинного или действительного
значения в российских нормативных документах стал использоваться такой термин, как «опорное» значение.
«Опорное значение (величины) (reference quantity value) – зна-
чение величины, которое используют в качестве основы для сопоставления со значениями величины того же рода» (РМГ 29–2013).
При этом английcкий термин «reference quantity value» пере-
веден как «опорное значение величины». Такой перевод нельзя
считать удачным. Он не соответствует смысловому содержанию
«reference quantity value».
Из англо-русского словаря В.К. Мюллера:
«Reference – 1) ссылка; 2) справка; 3) упоминание; намек;
4) рекомендация; 5) лицо, дающее рекомендацию; 6) отношение;
7) передача на рассмотрение в другую инстанцию; 8) полномочия, компетенция арбитра или инстанции; 9) эталон; 10) справочный».
В ГОСТ Р ИСО 5725 дано следующее определение:
«Принятое опорное (reference) значение – значение, которое
служит в качестве согласованного для сравнения и получено как:
а) теоретическое или установленное значение, базирующееся
на научных принципах;
в) приписанное или аттестованное значение, базирующееся
на экспериментальных работах какой-либо национальной или
международной организации;
17
с) теоретическое или установленное значение, базирующееся
на совместных экспериментальных работах под руководством
научной или инженерной группы;
d) математическое ожидание измеряемой характеристики, то
есть среднее значение заданной совокупности результатов измерений – лишь в случае когда a), b), c) недоступны».
«Случайная погрешность измерения – составляющая погрешности измерения, изменяющаяся случайным образом
(по знаку и значению) при повторных измерениях, проведенных
в определенных условиях» (РМГ 29–2013).
«Систематическая погрешность измерения – составляющая
погрешности измерения, остающаяся постоянной или же закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же
величины» (РМГ 29–2013).
«Смещение при измерении (measurement bias) – оценка сис-
тематической погрешности измерения» (VIM3).
Известное смещение позволяет вводить поправку в результат
измерения. Но в этом определении подчеркивается, что смещение – это только оценка и, следовательно, вводимая поправка
всегда содержит неопределенность.
Полностью исключить систематическую погрешность из ре-
зультата измерения невозможно.
«Поправка – значение величины, вводимое в показание с целью исключения систематической погрешности» (РМГ 29–2013).
В VIM3 приведено более строгое определение:
«Поправка (correction) – компенсация оцененного систематического эффекта».
В последнее десятилетие в метрологии, особенно при количественном химическом анализе, широко применяется термин
«прецизионность».
«Прецизионность (измерений) – близость между показаниями
или измеренными значениями величины, полученными при повторных измерениях для одного и того же или аналогичных объектов при заданных условиях.
Повторяемость измерений – прецизионность измерений
в условиях повторяемости измерений .
Условия повторяемости (измерений) – один из наборов усло-
вий измерений, включающий применение одной и той же методики измерений, того же средства измерений, участие тех же опера-
18
торов, те же рабочие условия, то же местоположение и выполнение повторных измерений на одном и том же или подобных объектах в течение короткого промежутка времени» (РМГ 29–2013).
Термин «повторяемость» фактически полностью соответст-
вует принятому в России термину «сходимость».
«Воспроизводимость измерений – прецизионность измерений
в условиях воспроизводимости измерений.
Условия воспроизводимости – один из наборов условий
измерений, включающий разные местоположения, разные средства измерений, участие разных операторов и выполнение повторных измерений на одном и том же или аналогичных объектах» (РМГ 29–2013).
В ГОСТ ИСО Р 5725 приводится несколько иное определе-
ние условий воспроизводимости:
«Условия воспроизводимости – условия, при которых резуль-
таты измерений получают одним и тем же методом, на идентичных объектах испытаний, в разных лабораториях, разными операторами, с использованием различного оборудования».
В этом определении под «методом» понимается методика
выполнения измерений.
За рубежом и в последнее время также и в российской метро-
логии для оценки точности измерений используется «неопределенность».
Международный документ «Руководство по выражению не-
определенности измерения» переведен на русский язык и получил статус ГОСТ Р 54500.3–2011/Руководство ИСО/МЭК
98–3:2009.
«Неопределенность (измерения) – параметр, относящийся
к результату измерения и характеризующий разброс значений,
которые могли бы быть обоснованно приписаны измеряемой величине».
Перевод «Руководства по выражению неопределенности из-
мерения» в 1999 г. был несколько иной:
«Неопределенность (измерения) – параметр, связанный с ре-
зультатом измерения и характеризующий рассеяние значений,
которые могли бы быть обоснованно приписаны измеряемой величине».
Если использовать более привычную терминологию, то не-
определенность характеризует возможное отличие действитель-
19
ного значения измеряемой величины (значения, которое могло бы
быть приписано измеряемой величине) от результата измерения.
В VIM3 и РМГ 29–2013 приведено несколько другое опреде-
ление, но аналогичное по смысловому содержанию:
«Неопределенность (измерений) (measurement uncertainty) –
неотрицательный параметр, характеризующий рассеяние значений величины, приписываемых измеряемой величине на основании измерительной информации».
Правила ПМГ 96–2009 «ГСИ. Результаты и характеристики
качества измерений. Формы представления» допускают для характеристики качества измерений использовать как «неопределенность», так и «погрешность».
Правила устанавливают следующие характеристики качества
измерений:
среднеквадратическое отклонение погрешности измерений
или стандартная неопределенность (точечные характеристики качества измерений);
границы интервала, в котором погрешность измерений находится с заданной вероятностью, или расширенная неопределенность (интервальные характеристики качества измерений).
Такое допущение трудно считать оправданным, так как во
всем мире для оценки точности измерений используются характеристики неопределенности.
1.5. Средства измерительной техники
«Средства измерительной техники – обобщающее понятие,
охватывающее средства, специально предназначенные для измерений.
К средствам измерительной техники относят средства измерений, эталоны, измерительные системы, измерительные установки, измерительные принадлежности, средства сравнения,
стандартные образцы и др.» (РМГ 29–2013).
Средства измерений
В Законе приведено следующее определение:
«Средство измерений – техническое средство, предназна-
ченное для измерений».
Это определение трудно считать исчерпывающим. Например, гильза термометра, кабель для передачи измерительной информации являются техническими средствами, используемыми
20
для измерений. Но мы не считаем их средствами измерений. Эти
средства не имеют и не могут иметь метрологические характеристики, но имеют технические характеристики.
Гильза термометра имеет такие технические характеристики,
как внутренний диаметр или ширина зазора между термометром
и внутренней поверхностью гильзы, глубина погружения и общая
длина. Кабель для передачи измерительной информации – электрическое сопротивление, сопротивление и емкость электрической изоляции. Они, несомненно, являются средствами измерительной техники, но не средствами измерений.
В РМГ 29–2013 дано следующее определение:
«Средство измерений – техническое средство, предназна-
ченное для измерений и имеющее нормированные (установлен-
ные) метрологические характеристики».
Но и это определение нельзя считать точным. Например:
в быту могут использоваться такие средства, как: отрезок веревки
в качестве меры длины, чашка или стакан в качестве меры емкости. Эти средства имеют метрологические характеристики, но не
имеют нормированных метрологических характеристик. Поэтому
они не могут использоваться для измерений в сфере государственного регулирования.
Видимо, наиболее точным можно считать определение сред-
ства измерений, приведенное в Приложении к ГОСТ 8.009–84
«ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств
измерений»:
«Средство измерений – средство, предназначенное для изме-
рений, вырабатывающее сигнал (показание), несущий информацию о значении измеряемой величины, или воспроизводящее величину заданного (известного) размера».
В зависимости от роли в процессе измерения и выполняемых
функций средства измерений подразделяются на меры, приборы
и измерительные преобразователи (рис. 1.2).
«Мера (материальная) – средство измерений, которое вос-
производит в процессе использования или постоянно хранит в еличины одного или более данных родов, с приписанными им значениями» (РМГ 29–2013).
Меры могут быть: однозначные и многозначные, наборы
мер. Примером однозначной меры может быть катушка электрического сопротивления, многозначной – магазин сопротивлений.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]