19. Классификация и свойства измерения

На практике нужно осуществлять измерения различных величин, веществ, явлений, процессов. Всевозможные проявления всякого свойства создадут множества, изображение компонентов которых на упорядоченное множество чисел или в общем случае условных знаков создадут шкалы измерения данных свойств.

Шкалой физической величины называется шкала измерений количественного свойства.

В зависимости от логической структуры проявления свойств можно выделить пять ключевых видов шкал измерения.

1. Шкала наименований (школа классификаций). Подобные шкалы применяются для классификации эмпирических объектов, свойства которых выражаются лишь в отношении эквивалентности. Данные свойства нельзя принимать за физические величины, вследствие этого подобные шкалы не являются шкалами физических величин. Это наиболее простой вид шкал.

В шкалах наименований, в которых причисление отражаемого свойства к какому—либо классу эквивалентности исполняется с применением органов чувств человека, наиболее соответствует результат, избранный большинством экспертов. Как пример можно привести атласы цветов, предназначенные для идентификации цвета.

2. Шкала порядка (шкала рангов). В случае проявления свойства данного эмпирического объекта применительно к эквивалентности и порядку по возрастанию или убыванию количественного проявления свойства для него возможно построение шкалы порядка. Она может быть монотонно возрастающей или убывающей и дает возможность определить отношения больше либо меньше между величинами, характеризующими данное свойство.

В ситуации, когда степень познания явления не дает возможность достоверно установить отношения, существующие между величинами данной характеристики, используют эмпирические шкалы порядка. Условная шкала – это шкала физических величин, первоначальные значения которой сформулированы в условных единицах.

3. Шкала интервалов (шкала разностей). Эта шкала используется для объектов, качества которых удовлетворяют отношениям эквивалентности порядка n аддитивности. Шкала интервалов включает в себя одинаковые интервалы, обладает единицей измерения и произвольно выбранным началом – нулевая точка.

4. Шкала отношений. Эта шкала изображает свойства эмпирических объектов, удовлетворяющих отношениям эквивалентности, порядка и аддитивности (шкалы второго порядка), а зачастую и пропорциональности. Как пример можно привести термодинамическую температуру (первый порядок) и шкалу массы (второй порядок).

5. Абсолютные шкалы – шкалы, которые имеют все свойства шкал отношений, а также обладают естественным и однозначным определением единицы измерения и обладающие полной самостоятельностью по отношению к принятой системе единиц измерений.

21. Метрологические характеристики средств измерений

Все средства измерений, независимо от их конкретного исполнения, обладают рядом общих свойств, необходимых для выполнения ими их функционального назначения. Технические характеристики, описывающие эти свойства и оказывающие влияние на результаты и на погрешности измерений, называются метрологическими характеристиками [9,10]. Перечень важнейших из них регламентируется ГОСТ “Нормируемые метрологические характеристики средств измерений”. Комплекс нормируемых метрологических характеристик устанавливается таким образом, чтобы с их помощью можно было оценить погрешность измерений, осуществляемых в известных рабочих условиях эксплуатации посредством отдельных средств измерений или совокупности средств измерений, например автоматических измерительных систем.

Одной из основных метрологических характеристик измерительных преобразователей является статическая характеристика преобразования (иначе называемая функцией преобразования или градуировочной характеристикой). Она устанавливает зависимость информативного параметра у выходного сигнала измерительного преобразователя от информативного параметра х входного сигнала.

25. Выделяют следующие виды погрешностей:

1) абсолютная погрешность;

2) относительна погрешность;

3) приведенная погрешность;

4) основная погрешность;

5) дополнительная погрешность;

6) систематическая погрешность;

7) случайная погрешность;

8) инструментальная погрешность;

9) методическая погрешность;

10) личная погрешность;

11) статическая погрешность;

12) динамическая погрешность

24. Погрешность измерения встречается всегда при любых видах измерений и определяется метрологами как отклонение результата измерения от действительного размера измеряемой величины. В числовых величинах погрешность измерения ΔХ (дельта икс) подсчитывают как разность между результатом измерения Х_изм и действительным размером Х_действ измеряемой величины: ΔХ = Х_изм– Х_действ .

Погрешности при измерениях зависят от многих причин и классифицируются следующим образом:

1) инструментальная погрешность возникает по ряду причин:

а) износ деталей измерительного прибора;

б) излишнее трение в механизме прибора;

в) неточное нанесение штрихов на шкалу прибора;

г) несоответствие действительного и номинального значения меры и т. д.;

2) систематическая погрешность – составляющая погрешности результата измерения, остающаяся постоянно для данного ряда измерений или же закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же физической величины.

Систематическая погрешность по характеру проявления подразделяется на:

а) постоянную;

б) прогрессивную;

в) периодическую.

Постоянная систематическая погрешность – погрешность, длительное время сохраняющая свое значение (например, в течение всей серии измерений). Эта погрешность встречается наиболее часто. Прогрессивная систематическая погрешность – непрерывно возрастающая погрешность (например, от постоянного устойчивого износа измерительных механизмов, приборов).

Периодическая систематическая погрешность – погрешность, значение которой является функцией времени или функцией перемещения указателя измерительного прибора (например, наличие эксцентриситета в угломерных приборах с круговой шкалой вызывает систематическую погрешность, изменяющуюся по периодическому закону).

Исходя из причин появления систематических погрешностей, различают:

1) инструментальные погрешности;

2) погрешности метода;

3) субъективные погрешности;

4) погрешности вследствие отклонения внешних условий измерения от установленных методами.

Погрешность метода измерений возникает из—за несовершенства метода измерений или допущенных его упрощений, установленных методикой измерений. Субъективная погрешность измерения обусловлена индивидуальными погрешностями оператора (ее называют еще личной погрешностью).

Погрешность вследствие отклонения (в одну сторону) внешних условий измерения от установленных методикой измерения приводит к возникновению систематической составляющей погрешности измерения.

27. Систематические погрешности

Источниками систематических составляющих погрешности измерения могут быть объект и метод измерения, средства измерения, условия измерения и экспериментатор. При этом оценивание систематических составляющих представляет достаточно трудную метрологическую задачу. Важность ее определяется тем, что знание систематической погрешности позволяет ввести соответствующую поправку в результат измерения и тем самым повысить его точность. Трудность же состоит в сложности обнаружения систематической погрешности, поскольку ее невозможно выявить путем повторных измерений (наблюдений). Действительно, будучи постоянной по величине для данной группы наблюдений, систематическая погрешность никак визуально не проявится при повторных измерениях одной и той же величины и следовательно, оператор затруднится ответить на вопрос — имеется ли систематическая погрешность в наблюдаемых результатах. Таким образом, проблема обнаружения систематических погрешностей едва ли не главная в борьбе с ними. Обычно систематическая погрешность результата измерения рассматривается по составляющим в зависимости от источников их возникновения. В основу классификации систематических погрешностей положена закономерность их поведения во времени. По характеру изменения во времени систематические погрешности разделяют на постоянные и переменные.

Постоянными называют такие систематические погрешности измерения, которые остаются неизменными (сохраняют величину и знак) в течение всей серии измерений.

Переменными называют погрешности, изменяющиеся в процессе измерения. Наличие существенной переменной систематической погрешности искажает оценки характеристик случайной погрешности. Поэтому она должна обязательно выявляться и исключаться из результатов измерений.

29. Случайная погрешность – это составляющая погрешности измерения, изменяющаяся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины.

Наличие случайных погрешностей выявляется при проведении ряда измерений постоянной физической величины, когда оказывается, что результаты измерений не совпадают друг с другом.

Часто случайные погрешности возникают из-за одновременного действия многих независимых причин, каждая из которых в отдельности слабо влияет на результат измерения.

Во многих случаях влияние случайных погрешностей можно уменьшить путем выполнения многократных измерений с последующей статистической обработкой полученных результатов.

В некоторых случаях оказывается, что результат одного измерения резко отличается от результатов других измерений, выполненных при тех же контролируемых условиях.

В этом случае говорят о грубой погрешности (промахе измерения).

Причиной могут послужить ошибка оператора, возникновение сильной кратковременной помехи, толчок, нарушение электрического контакта и т. д. Такой результат, содержащий грубую погрешность необходимо выявить, исключить и не учитывать при дальнейшей статистической обработке результатов измерений.

Класс точности средства измерений – обобщенная характеристика средства измерений, определяемая пределами допускаемых основных и дополнительных погрешностей. Класс точности выбирается из ряда (1; 1,5; 2; 2,5; 4; 5; 6)*10ⁿ, где n = 1; 0; -1; -2 и т.д.

Класс точности может выражаться одним числом или дробью (если аддитивная и мультипликативная погрешности сопоставимы – например, 0,2/0,05 – адд./мульт.).