6.2. Классификация измерений.

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

В ФЗ «Об обеспечении единства измерений» предлагается более краткое определение: измерение – совокупность операций, выполняемых для определения количественного значения величины. Это определение хотя и не противоречит первому, ранее широко используемому, однако не раскрывает процесса измерения.

Примечание: Поясним процесс измерения на двух примерах.

При прямом измерении длины «единица длины» заложена в делениях измерительной линейки или в делениях штангенциркуля, нанесенных на конструктивные элементы этих СИ. Цена деления на них, как правило, соответствует 10^-3 основной единицы длины – метра, т.е. миллиметру. В данном случае линейка является «хранителем» единицы ФВ.

При измерениях напряжения на участке электрической цепи с помощью вольтметра «единица» измерения заложена (храниться) в шкале прибора, которая проградуирована с помощью более точных СИ в единицах пропорциональных основной единице измерения напряжения – вольту.

Измерения классифицируются по разным признакам (рис.6-1).

1. По характеру влияния длительности переходных процессов СИ на результат измерения — измерения делятся на статические и динамические. Статические измерения — это измерения ФВ, принимаемой в соответствии с конкретной измерительной задачей за неизменную на протяжении времени измерения.

Динамические измерения (ДИ) — это измерения, изменяющейся по размеру ФВ. Особенно это касается тех ФВ, которые изменяются в процессе измерения (непрерывное, дискретное, скачкообразное изменения). Однако даже измерение постоянной во времени ФВ, если время переходного процесса в СИ оказывается сравнимым со временем измерения, может быть отнесено к ДИ. Например, измерение веса на рычажных весах в момент времени, когда положение стрелки весов еще не успокоилось или измерение амплитуды сигнала в течение времени переходного процесса СИ. Поэтому, к динамическим измерениям относят такие измерения, при которых необходим учет динамической погрешности.

2. Измерения различаются по способу получения результатов измерения на прямые, косвенные, совместные и совокупные. Эти способы предполагают разные методы обработки результатов измерения.

Прямые измерения — измерения, при которых искомое значение ФВ находят непосредственно из опытных данных. Формула прямых измерений Q = x, где Q — истинное (действительное) значение, х — измеренное значение ФВ. К прямым измерениям относятся измерения длины с помощью линейки или штангенциркуля, измерение массы на весах и т.д. Термин прямое измерение возник как противоположный термину косвенное измерение. Строго говоря, измерение всегда прямое, поскольку в основе измерительного процесса (опыта) лежит процедура сравнения ФВ с ее единицей. Лучше использовать термин прямой метод измерений.

Косвенные измерения — это измерения, при которых осуществляется определение искомого значения ФВ на основании результатов прямых измерений других ФВ, функционально связанных с искомой величиной. Формула косвенных измерений Q = F(х₁, х₂, х₃,…, x_m), где х₁, х₂,..., х_m — величины, измеренные прямыми методами. Примерами косвенных измерений являются: определение объема тела с помощью измерения его сторон, длины пройденного пути по скорости и времени, силы взаимодействия электрических зарядов по их величине и расстоянию между ними и т.д.

Совместные измерения — это проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для определения зависимости между ними. Например, определение коэффициентов, связывающих зависимость сопротивления полупроводникового материала от температуры или зависимость увеличения длины стержня от силы растяжения, определение коэффициентов линейного поглощения гамма-излучения в веществе и др.

Совокупные измерения — это проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин определяют путём решения системы уравнений, получаемых при измерении этих величин в различных сочетаниях. Типичным примером совокупных измерений является определение номинальных величин масс отдельных гирь по образцовой величине массы какой-либо гири. Например, с помощью совокупных измерений можно провести калибровку (аттестацию) гирь массой 1, 2, 3 и 5 кг по одной образцовой гире с действительной массой 1 кг.

3. По условиям, определяющим точность результата, измерения можно разделить на измерения максимально возможной точности, контрольно-поверочные измерения и технические измерения.

Рис. 6-1. Классификация измерений

Измерения максимально возможной точности - измерения, которые обеспечивают достижимую в настоящее время, при существующем уровне техники и методах обработки результатов измерений, точность (или минимальную погрешность). К ним относятся измерения эталонов, физических констант (измерения ускорения свободного падения тел, массы элементарных частиц и т.д.).

Контрольно-поверочные измерения - измерения, при которых погрешность измерения не должна превышать заданное значение с некоторой вероятностью. Это измерения, выполняемые различными лабораториями государственного надзора в целях поверки СИ и надзора за состоянием их метрологических характеристик (МХ). Методика измерений и качество измерительной аппаратуры этих лабораторий гарантирует получение погрешностей измерения с требуемой вероятностью.

Указанные виды измерений относятся к лабораторным измерениям и характеризуются тем, что погрешность каждого получаемого результата измерения оценивается по данным, полученным в процессе самого измерения.

Основной тип практических измерений следует считать техническими измерениями, которые характеризуются тем, что проводятся в определенных условиях по методике, разработанной и исследованной заранее до их проведения. К ним относятся все измерения, осуществляемые на производстве (на щитовых пультах, с помощью приборов технологического контроля, в медицине, в домашних условиях бытовыми приборами, на транспорте и т.д.), а также проведении различных испытаний на подтверждение соответствия (сертификации). В настоящее время  – это основная (подавляющая) масса измерений, проводимых в мире.

4. По способу выражения результатов измерения они могут быть разделены на абсолютные и относительные.

Абсолютные измерения основаны на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значений физических констант. Например, измерение силы веса F = mg основано на измерении основной величины - массы m и использовании физической константы ускорения свободного падения в данной точке g.

Относительные измерения – измерение отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы или измерение изменения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную. Например, измерение активности радионуклида в источнике ионизирующего излучения по отношению к активности радионуклида в однотипном источнике, аттестованном в качестве эталонной меры активности, измерения относительной влажности воздуха, степень подавления помех и др.

5. Измерения классифицируют также по принципам измерения, под которыми понимаются физические явления или эффекты, положенные в основу измерений. Например, принципы измерения электрического напряжения, основанные на эффекте Джозефсона, или принципы измерения параметров физических объектов, основанные на взаимодействии ионизирующего излучения с веществом, или взаимодействия электромагнитного поля с веществом, а также взаимодействия звука с веществом и т.д.

6. Измерения классифицируют также по методам измерения, которые призваны повысить точность и достоверность полученных результатов. Метод измерения определяется как прием или совокупность приемов сравнения измеряемой величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерения. Существует довольно много методов измерения, применение которых обусловлено ФВ, принципом измерения и средством измерений. Это: методы непосредственной оценки, метод сравнения с мерой, нулевой метод измерений, метод измерений замещением, метод измерений дополнением, дифференциальный метод измерений, контактный и бесконтактный методы измерений и др. Например, нулевой метод измерений характеризуется тем, что на СИ одновременно воздействуют мера и измеряемая величина. Результат измерения оценивается по результату воздействия этих величин на СИ (например, измерение веса на равноплечных весах при полном их уравновешивании). В противоположность методам сравнения с мерой, метод непосредственной оценки характеризуется тем, что значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству СИ. Например, измерение веса динамометром, силы тока – амперметром. Определение этих методов и примеры их применения довольно широко представлены в РМГ 29-99.

Отметим, что не следует путать метод измерения с методикой выполнения измерения (МВИ), представляющей собой установленную совокупность операций и правил при измерении, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с гарантированной точностью в соответствии с принятым методом. Методика измерений представляет собой технологию выполнения измерений и регламентируется НД, в котором предписывается выполнение порядка проведения измерений, обеспечивающего данные метрологические характеристики (МХ) или приписанную погрешность измерения. Общим правилам выполнения МВИ посвящен ГОСТ 6.563-96 «Методики выполнения измерений» и методические указания МИ 2377-98. «Рекомендации. Разработка и аттестация методик выполнения измерений».

И метод и методика измерений направлены на обеспечение измерений с максимальной точностью, поэтому в настоящее время метрологические вопросы, касающиеся методов и методик измерений рассматриваются совместно.

Примечание. В ГК «Росатом» аттестовано около 2000 методик в сферах государственного регулирования и отраслевого метрологического надзора, из них 1842 МВИ химического состава веществ и растворов и 368 МВИ свойств. При аттестации МВИ используется расчетно-экспериментальный метод и способ по аналогии с ГОСТ 8.207 и Руководством по выражению неопределенности [106].

7. Измерения бывают равноточными и неравноточными.

Равноточные измерения – ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности СИ в одних и тех же условиях с одинаковой тщательностью.

Неравноточные измерения – ряд измерений какой-либо величины, выполненный различающимися по точности СИ и (или) в разных условиях.

Оператор, прежде чем приступать к обработке результатов измерений должен убедиться в равноточности измерений. Если измерения являются неравноточными, то для их обработки используются статистические методы учета веса отдельных измерений, входящих в экспериментальный ряд измерений. Неравноточные измерения могут иметь место, например, в разных испытательных лабораториях, задачей которых является подтверждение соответствия продукции требованиям НД, ТР, ГОСТ-ов и др.).

Измерение характеризуется погрешностью и точностью, которые были определены ранее. Результат измерения можно характеризовать также рядом других понятий, отражающих качество измерения более детально, чем точность: правильность, сходимость и воспроизводимость измерений.

Правильность измерений – качество измерений, отражающее близость к нулю систематических погрешностей в их результатах.

Сходимость измерений – близость друг к другу результатов измерений одной и той же величины, выполненных повторно одними и теми же средствами, одним и тем же методом в одинаковых условиях и с одинаковой тщательностью. Это качество измерений характеризует, в основном, близость к нулю случайной погрешности измерений.

Воспроизводимость измерений – близость результатов измерений одной и той же величины, полученных в разных местах, разными методами, разными средствами, разными операторами, в разное время, но приведённые к одним и тем же условиям измерений (температура, влажность, давление и т.д.).

В настоящее время под точностью измерения понимается более широкое понятие: степень близости результатов измерений к истинному значению величины или в его отсутствии принятому опорному значению [5, 60]. Введение в ИСО 5725 понятия опорного значения величины позволило применить подход на основе точности измерений к тем задачам, для которых невозможно говорить об истинном значении ФВ. Это задачи химии, нефтехимии, некоторых видов продукции, окружающей природной среды и др., для которых отсутствуют эталоны или их нельзя изготовить в настоящее время.

При этом считается, что точность измерений обусловлена двумя различными качественными свойствами измерений: правильностью и прецизионностью.

Понятие правильности по прежнему характеризуется наличием систематической погрешности в результатах измерений, а прецизионность – степенью близости друг к другу независимых результатов измерений, полученных в конкретных регламентированных условиях (ИСО 5725), т.е. зависит от случайных погрешностей измерений.

Прецизионность характеризуется двумя составляющими: воспроизводимостью и повторяемостью. Воспроизводимость – прецизионность в условиях воспроизводимости, которые характеризуются тем, что результаты измерений получают одним и тем же методом, в разных лабораториях, разными операторами, с использованием различного оборудования. Это определение соответствует прежнему определению воспроизводимости, используемому в классической метрологии.

Повторяемость – прецизионность в условиях повторяемости, при которых независимые результаты измерений получают одним и тем же методом, в одной и той же лаборатории, одним и тем оператором, с использованием одного и того же оборудования, в пределах короткого промежутка времени. Это определение близко к прежнему определению сходимости, используемому в классической метрологии.

8. Измерения могут быть однократными и многократными.

Многократное измерение – измерение ФВ одного и того же размера, результат которого получен из нескольких следующих друг за другом измерений., т.е. состоящее из ряда однократных измерений.

Однократное измерение – измерение, выполненное один раз. На практике наиболее часто измерения производятся один раз. Эти измерения, как правило, относятся к техническим измерениям и их результаты оцениваются с помощью МВИ.

Примечание: Часто возникает вопрос: с какого числа измерений можно относить измерения к многократным или однократным? Исходя из того, что статистическая обработка может начинаться при числе данных 4, то при числе измерений не более 3 измерения можно относить к однократным. Если возможно, то для получения уверенности в полученном результате, однократное измерение целесообразно подтвердить повторными измерениями.