Статья: Основные понятия об измерениях и средствах измерений
Классификация измерений
Все измерения классифицируют (рис. 8.2):
по способу получения информации;
по характеру изменения получаемой информации в процессе измерения;
по количеству измерительной информации;
по отношению к основным единицам.
Рис. 8.2 Классификация измерений
По способу получения информации измерения разделяются на следующие виды:
1. Прямые измерения, при которых искомое значение измеряемой величины получают непосредственно (путем сравнения величины с ее единицей). При прямых измерениях объект исследования приводят во взаимодействие со средством измерений и по его показаниям отсчитывают значение измеряемой величины.
К прямым измерениям относятся измерение массы при помощи весов и гирь, силы тока — амперметром, температуры — термометром, измерение длины — линейкой.
2. Косвенные измерения, при которых искомое значение величины определяют на основании прямых измерений других величин, функционально связанных известной зависимостью с искомой величиной. Например, плотность тела можно определить по результатам измерений массы т и объема V:
ρ(8.1)
а скорость при равномерном движении — по результатам измерений пройденного пути S и времени τ:
(8.2)
Совокупные измерения, при которых одновременно проводятся измерения нескольких одноименных величин и искомое значение величины, определяют путем решения системы уравнений, получаемых при измерениях этих величин в различных сочетаниях, при этом число уравнений должно быть не меньше числа величин. Например, значение массы отдельных гирь набора определяют по известному значению массы одной из гирь и по результатам измерений (сравнений) масс различных сочетаний гирь.
Совместные измерения, при которых одновременно проводятся измерения двух или нескольких не одноименных величин для определения зависимости между ними, например, зависимость длины объекта от температуры.
По характеру изменения получаемой информации в процессе измерений измерения подразделяются на статические и динамические.
Статические измерения — это такие измерения, когда измеряемая величина принимается за неизменную на протяжении времени измерения, например, измерение размеров земельного участка.
Динамическое измерение — это измерение, в процессе которого измеряемая величина изменяется.
Развитие средств измерений и повышение их чувствительности позволяет сегодня обнаружить изменение величин, ранее считавшихся постоянными, поэтому разделение измерений на динамические и статические можно считать условным.
По количеству измерительной информации измерения делятся на однократные и многократные.
Однократные измерения выполняются один раз, а многократные позволяют получить результат из нескольких следующих друг за другом измерений одного и того же объекта. При однократных измерениях показания средств измерений являются результатом измерений, погрешность используемого средства измерений определяет погрешность результата измерения. Применение многократных измерений позволяет повысить точность измерения до определенного предела.
По отношению к основным единицам измерения делятся на абсолютные и относительные.
Абсолютные измерения основаны на прямых измерениях одной или нескольких основных величин или использовании значений физических констант. Например, определение массы в килограммах, количества вещества—в молях, частоты — в герцах.
Относительные измерения — это измерения отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерение изменения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную. Например, относительная влажность определяется как отношение упругости водяного пара, содержащегося в воздухе, к упругости насыщенного пара при той же температуре, и выражается в процентах.
Основные характеристики и критерии качества измерений
К основным характеристикам измерений, которые определяют и качество измерений, относятся: принцип, метод, погрешность результатов измерения, точность, правильность, сходимость и воспроизводимость результатов измерений, предел и границы обнаружения.
Приведем определения основных характеристик измерений.
Принцип измерений — явление, закон или эффект, положенные в основу измерений. Например, применение эффекта Доплера для измерения скорости движения звезд, вращения небесных тел.
Метод измерений — прием или совокупность приемов сравнения измеряемой величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. Методы измерений классифицируются по различным признакам. Один из них — это физический принцип, лежащий в основе измерений. Например, проведение измерений с помощью ядерного магнитного резонанса (магнитные измерения), электронной спектроскопией (оптические измерения) и др. Наиболее распространенное деление методов измерений — это на методы непосредственной оценки и методы сравнения. Метод непосредственной оценки позволяет определить значение величины по показанию средства измерения, которое заранее проградуировано в единицах измеряемой величины или в единицах других величин, от которых она зависит. Метод сравнения предусматривает сопоставление измеряемой величины с величиной, воспроизводимой мерой. Особенностью этого метода является непосредственное участие мер в процессе измерения. Методы сравнения подразделяются на дифференциальный, нулевой, замещения и совпадений. Каждый метод измерений характеризуется определенной погрешностью измерений.
Погрешность измерений — отклонение результатов измерений от истинного (действительного) значения измеряемой величины. Погрешность измерений представляет собой сумму целого ряда составляющих, каждая из которых имеет свою причину.
Сходимость— близость друг к другу результатов измерений одной и той же величины, полученных по одной методике, выполненных одним и тем же средством измерений, одним и тем же оператором в одинаковых условиях, в одной и той же лаборатории.
Воспроизводимость — близость результатов измерений одной и той же величины, полученных по единой методике, выполненной в разных лабораториях, разными экземплярами средств измерений, разными операторами, в разное время. Воспроизводимость результатов измерений зависит также от однородности и стабильности характеристик испытуемого образца.
Точность — характеристика качества измерений, отражающая близость к нулю погрешности результатов измерений. Высокая точность измерений соответствует малым величинам погрешностей измерения.
В 2002 г. в России введены в действие национальные стандарты ГОСТ Р ИСО 5725-2002 часть 1-6 под общим заголовком «Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений», которые являются прямым применением шести частей основополагающего международного стандарта ИСО 5725. Эти стандарты используются в практической деятельности при разработке, аттестации и применении методик выполнения измерений, стандартизации методик контроля (испытаний, измерений, анализа), испытаниях продукции, в том числе для целей подтверждения соответствия, оценки компетентности испытательных лабораторий согласно требованиям ГОСТ Р ИСО/МЭК 17025-2006. Стандарты ИСО 5725 могут применяться для оценки точности выполнения измерений различных величин, характеризующих измеряемые свойства того или иного объекта, в соответствии со стандартизованной процедурой. Следует отметить, что в отечественной метрологии точность и погрешность результатов измерений, как правило, определяются сравнением результатов измерений с истинным или действительным (условно истинным) значением измеряемой величины. Часто за действительное значение принимают общее среднее значение (математическое ожидание) установленной совокупности результатов измерений. В ИСО 5725 вместо термина «действительное значение» введен термин «принятое опорное значение», который и рекомендуется для использования в практике. Термины «правильность» и «прецизионность» в отечественных нормативных документах по метрологии до введения серии стандартов ГОСТ Р ИСО 5725 не использовались.
Дадим определение этих терминов.
Правильность характеризует степень близости среднего арифметического значения большого числа результатов измерений к истинному (действительному) или принятому опорному значению. Показателем правильности обычно является значение систематической погрешности.
Прецизионность — степень близости друг к другу независимых результатов измерений, полученных в конкретных регламентированных условиях. Мера прецизионности обычно вычисляется как стандартное отклонение результатов измерений. Крайние показатели прецизионности — повторяемость (сходимость) и воспроизводимость широко используются в отечественных нормативных документах, в том числе в большинстве национальных стандартов на методы контроля. Термин «точность» в соответствии с ГОСТ Р ИСО 5725-1—2002 определяется как степень близости результата измерений к применяемому опорному значению.
Внедрение стандартов ГОСТ Р ИСО 5725 направлено на более эффективную реализацию требований национальной системы стандартизации при разработке стандартов на методы контроля продукции различных отраслей промышленности.
Таким образом, при правильном выборе метода измерений, повышая такие показатели, как точность, правильность, уменьшая погрешности измерений, можно достигать высокого качества измерений.
Средства измерений
Измерения выполняются с помощью специальных технических средств, имеющих нормированные метрологические характеристики, воспроизводящие и хранящие единицу измеряемой величины, размер которой принимается неизменным в пределах установленной погрешности в течение известного интервала времени, Такие технические средства являются средствами измерений. Данное определение раскрывает метрологическую сущность средства измерения, заключающуюся, во-первых, в «умении» хранить (или воспроизводить) единицу измеряемой величины и, во-вторых, в неизменности размера хранимой единицы. К средствам измерений относятся меры, компараторы, измерительные преобразователи и приборы, измерительные установки, системы и комплексы (рис. 8.3).
Рис. 8.3. Классификация средств измерений
Меры предназначены для воспроизведения и (или)хранения величины одного или нескольких заданных размеров. К мерам, например, относятся гири, концевые меры длины, нормальные элементы. Меры, воспроизводящие измеряемую величину одного размера, называются однозначными. Меры, воспроизводящие измеряемую величину разных размеров, называются многозначными. Примером многозначной меры является миллиметровая линейка, воспроизводящая, наряду с миллиметровыми, также и сантиметровые размеры длины. Применяются также меры в виде наборов и магазинов мер.
Часто к однозначным мерам относят стандартные образцы и стандартные вещества. Указанное на мере значение величины является номинальным значением меры. В специальном свидетельстве, придаваемом мере, указывается действительное значение, определенное при высокоточных измерениях с помощью соответствующего эталона. Разность между номинальным и действительным значениями называется погрешностью меры. Величина, обратная погрешности меры по знаку, представляет поправку к номинальному значению меры.
Измерительные преобразователи предназначены для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал с целью представления измеряемой величины в форме, удобной для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи. Данные преобразователи входят в состав измерительных приборов, установок, систем или применяются вместе с каким-либо средством измерений. Самым распространенным по количеству видом средств измерений являются первичные измерительные преобразователи, которые служат для непосредственного восприятия измеряемой величины, как правило, неэлектрической, и преобразования ее в другую величину — электрическую.
По характеру преобразования измерительные преобразователи разделяются на аналоговые, аналого-цифровые (АЦП), Цифро-аналоговые (ЦАП). Указанные преобразователи почти всегда являются промежуточными.
Измерительные приборы предназначены для получения значений измеряемой величины в установленном диапазоне. Измерительные приборы представляют собой конструктивно объединенную совокупность первичных и промежуточных преобразователей.
Измерительные приборы прямого действия преобразуют измеряемую величину, как правило, без изменения ее рода и отображают ее на показывающем устройстве, проградуированном в единицах этой величины (амперметры, вольтметры и др.).
Более точными являются приборы сравнения, предназначенные для сравнения измеряемых величин с величинами, значения которых известны. Например, измерение массы с помощью эталонных гирь на равноплечных весах или с помощью мостовых цепей. По способу отчета значений измеряемых величин приборы подразделяются на показывающие, в том числе на аналоговые и цифровые, и регистрирующие. Регистрирующие приборы по способу записи делятся на самопишущие и печатающие. В самопишущих приборах запись показаний представляется в графическом виде, в печатающих — в числовой форме.
Измерительные установки и системы представляют собой совокупность функционально объединенных средств измерений, мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств с целью измерений одной или нескольких величин объекта измерений.
В настоящее время большинство измерительных систем являются автоматизированными. Несмотря на различные наименования (АИС — автоматизированная измерительная система, ИИС — информационно-измерительная система, ИВК — измерительно-вычислительный комплекс), все они по существу обеспечивают автоматизацию процессов измерений, обработки и отображения результатов измерений. Измерительные системы и комплексы широко используются для автоматизации технологических процессов в различных отраслях промышленности.
Принципы выбора средств измерений
Выбор средств измерений определяет качество измерений. Измерения, выполняемые средствами измерений более низкого класса, чем требуемые, приводят к росту забракованной продукции, неверным выводам по качеству продукции.
При выборе средств измерений необходимо учитывать ряд факторов:
характеристику измеряемой величины и диапазон измерений;
метод измерения, реализуемый в средстве измерений;
диапазон и погрешность средств измерений;
условия проведения измерений;
допускаемую погрешность измерений;
стоимость средств измерений;
простоту их эксплуатации;
ресурс средств измерений;
потери из-за погрешностей измерений.
Отсутствие единого фактора, по которому можно сравнивать средства измерений, затрудняет решение задачи.
Основными характеристиками средств измерений являются погрешности. Они наиболее существенно влияют на качество измерений, поэтому при выборе средств измерений их рассматривают в первую очередь.
Существует три основных подхода выбора средств измерений.
Экономический подход (наиболее оптимальный, так как учитывает практически все показатели). При этом необходимо иметь в виду то, что:
повышение точности измерений позволяет точнее регулировать производственный процесс;
более точные измерения позволяют сократить допуск на изделия;
повышение точности измерений приводит к уменьшению доли необнаруженного брака.
Как правило, с ростом погрешности изменений потери растут, а затраты на измерения снижаются.
Вероятностный подход заключается в выборе точности средств измерений по заданному допуску на контролируемый параметр изделия и заданным значениям брака контроля I и II рода (необнаруженный и ложный брак).
Если контроль осуществляется абсолютно точными средствами измерений, все изделия, находящиеся в поле допуска, были бы признаны годными, а изделия, у которых измеряемый параметр превышает допуск, были бы признаны негодными.
Директивный подход позволяет установить соотношения между допуском на контролируемый параметр и предельно допускаемой погрешностью измерений. Однако такой подход не учитывает важности измеряемого параметра и экономических последствий от недостоверного контроля.