Методы измерений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В практической жизни человек всюду имеет дело с измерениями. На каждом шагу встречаются измерения таких величин, как длина, объем, вес, время и др. метрология измерение погрешность

Измерения являются одним из важнейших путей познания природы человеком. Они дают количественную характеристику окружающего мира, раскрывая человеку действующие в природе закономерности. Все отрасли техники не могли бы существовать без развернутой системы измерений, определяющих как все технологические процессы, контроль и управление ими, так и свойства и качество выпускаемой продукций.

Велико значение измерений в современном обществе. Они служат не только основой научно-технических знаний, но имеют первостепенное значение для учета материальных ресурсов и планирования, для внутренней и внешней торговли, для обеспечения качества продукции, взаимозаменяемости узлов и деталей и совершенствования технологии, для обеспечения безопасности труда и других видов человеческой деятельности.

Особенно возросла роль измерений в век широкого внедрения новой техники, развития электроники, автоматизации, атомной энергетики, космических полетов. Высокая точность управления полетами космических аппаратов достигнута благодаря современным совершенным средствам измерений, устанавливаемым как на самих космических аппаратах, так и в измерительно управляющих центрах.

1. Понятия измерения и его виды

Измерение является важнейшим понятием в метрологии. Под измерением понимают установление значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.

В настоящее время, установлено следующее определение измерения: совокупность операций, выполняемых с помощью технического средства, хранящего единицу величины, позволяющего сопоставить измеряемую величину с ее единицей и получить значение величины. Это значение называют результатом измерений. Например, прикладывая линейку с делениями к какой-либо детали, сравнивают ее с единицей, хранимой линейкой, и, произведя отсчет, получают значение величины (длины, высоты и других параметров детали).

Отраслью науки, изучающей измерения, является метрология.

Слово "метрология" образовано из двух греческих слов: метрон - мера и логос - учение. Дословный перевод слова "метрология" - учение о мерах. Долгое время метрология оставалась в основном описательной наукой о различных мерах и соотношениях между ними. С конца прошлого века благодаря прогрессу физических наук метрология получила существенное развитие. Большую роль в становлении современной метрологии как одной из наук физического цикла сыграл Д. И. Менделеев, руководивший отечественной метрологией в период 1892 - 1907 гг.

Метрология в ее современном понимании - наука об измерениях, методах, средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Единство измерений - такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности измерений известны с заданной вероятностью. Единство измерений необходимо для того, чтобы можно было сопоставить результаты измерений, выполненных в разных местах, в разное время, с использованием разных методов и средств измерений.

Во всех случаях проведения измерений независимо от измеряемой величины, метода и средства измерений есть общее, что составляет основу измерений - это сравнение опытным путем данной величины с другой, подобной ей, принятой за единицу. При всяком измерении мы, с помощью эксперимента, оцениваем физическую величину в виде некоторого числа, принятых для нее за единицу величин, т.е. находим ее значение.

Существует несколько видов измерений. При их классификации исходят из: характера зависимости измеряемой величины от времени; способа получения результатов; условий, определяющих точность результата измерений, способов получения информации, по признаку измеряемой величины (см. таблицу 1).

Таблица 1. Классификация измерений

По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения разделяются на: статические (измеряемая величина остается постоянной во времени, например, измерения размеров объектов, постоянной температуры, давления и т.д.) и динамические (измеряемая величина постоянно изменяется во времени, например, пульсирующие давления, вибрация и т. д.).

По способу получения результатов измерения разделяют на два вида прямые и косвенные. Прямым называется измерение, при котором искомое значение физической величины получают непосредственно из опытных данных. Прямые измерения можно выразить формулой Q = X, где Q - искомое значение физической величины, а X - значение, непосредственно получаемое из опытных данных. Например, измерения размеров тел линейкой, массы - при помощи весов, измерение давления и температуры при контроле технологических процессов.

Косвенным называют измерение, при котором искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. При косвенных измерениях измеряют не собственно определяемую величину, а другие величины, функционально с нею связанные.

По условиям, определяющим точность результата, измерения делятся на три класса:

1 - измерения максимально возможной точности, достижимой при существующем уровне техники. Это - эталонные измерения, связанные с максимально возможной точностью воспроизведения единиц физических величин; измерения физических констант, прежде всего универсальных, например, абсолютного значения ускорения свободного падения;

2 - контрольно-поверочные измерения, погрешность которых не должна превышать заданного значения. Сюда относятся измерения, выполняемые госу дарственными метрологическими центрами, поверочными и калибровочными лабораториями предприятий;

3 - технические измерения, в которых погрешность результата определя ется характеристиками средств и методик измерений. Это - измерения, выпол няемые в процессе производства на предприятиях различных отраслей промышленности.

По способу выражения результатов измерений различают: абсолют ные, которые основаны на прямых измерениях одной или нескольких основных величин или на использовании физических констант. Например, определение длины в метрах, силы электрического тока в амперах, ускорения свободного падения в метрах на секунду в квадрате; относительные - это измерения от ношения одной величины к одноименной, играющей роль единицы, или величины по отношению к одноименной, принимаемой за исходную. Например, измерение относительной влажности воздуха, определяемой как отношение количества водяных паров в одном кубическом метре воздуха к количеству водяных паров, которое насыщает один кубический метр воздуха при данной температуре.

2. Основные характеристики измерений

Основными характеристиками измерений являются: принцип, метод, погрешность измерений, точность, сходимость и воспроизводимость результатов измерений.

Дадим определения этим характеристикам.

Принцип измерений - физическое явление или эффект, положенное в основу измерений. Например, измерение температуры с использованием термо электрического эффекта.

Метод измерений - прием или совокупность приемов сравнения изме ряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. Например, определение элементного состава пробы ме тодом атомно-эмиссионного анализа с индуктивно-связанной плазмой.

Методика выполнения измерений - установленная совокупность операций и правил при измерении, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с гарантированной точностью в соответствии с принятым методом. Обычно методика выполнения измерений регламентируется норматив ным или техническим документом.

Погрешность результата измерения - отклонение результата измере ния от истинного (действительного) значения измеряемой величины.

Сходимость результатов измерений - близость друг к другу результа тов измерений одной и той же величины, выполненных повторно одними и те ми же средствами, одним и тем же методом в одинаковых условиях и с одина ковой тщательностью.

Воспроизводимость результатов измерений - близость друг к другу ре зультатов измерений одной и той же величины, полученных в разных местах, разными методами, разными средствами, разными операторами, в разное вре мя, но приведенных к одним и тем же условиям измерений (температуре, дав лению, влажности и др.).

Точность результата измерений - одна из характеристик качества из мерения, отражающая близость к нулю погрешности результата измерения.

Погрешность - отклонение результатов изме рения от истинного значения измеряемой величины. По грешность возникает из-за несовершенства процесса изме рений.

Конкретные причины и характер проявления погрешно стей весьма разнообразны. Соответственно их классифици руют по многим критериям.

По способу выражения - абсолютные и от носительные погрешности.

Абсолютная погрешность измерения - погрешность измерения, выраженная в единицах измеряемой величины. Относительная погрешность измерения - отношение абсолютной погрешности измерения к истинному значению измеряемой величины.

По характеру проявления - систематиче ские и случайные погрешности.

Систематическая погрешность измерения - составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или зако номерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же физической величины. В зависимости от характера изменения систематические погрешности подразделяют на постоянные, пропорциональные и погрешности, изменяю щиеся по сложному закону.

Постоянные погрешности длительное время сохраняют свое значение, в частности, в течение всего периода выполнения измерений. Они встречаются наиболее часто. Хорошим при мером такого вида систематической погрешности является постоянное, отличное от нуля значение холостого опыта.

Пропорциональные погрешности изменяются пропорциональ но значению измеряемой величины.

В зависимости от причин возникновения систематические погрешности подразделяют на инструментальные, погрешно сти метода измерений, субъективные, погрешности вследст вие несоблюдения установленных условий измерений.

Инструментальные (аппаратурные) погрешности измерений обусловлены погрешностями применяемого средства измере ния. Они возникают из-за износа деталей и прибора в целом, излишнего трения в механизме прибора, неточного нанесения штрихов при калибровке.

Погрешности метода измерений (теоретические) обусловле ны несовершенством принятого метода измерений. Они яв ляются следствием упрощенных представлений о явлениях и эффектах, лежащих в основе измерений.

Случайная погрешность измерения - составляющая по грешности измерения, изменяющаяся случайным образом (по знаку и значению) при повторных измерениях одной и той же величины. Случайные погрешности неизбежны и неустра нимы и всегда присутствуют в результатах измерений. Они вызывают рассеяние числовых значений измеряемой величи ны (различие их в последних значащих цифрах) при много кратном и достаточно точном ее измерении при неизменных условиях.

Кроме того, выделяют грубую погрешность измерения - погрешность, существенно превышающую ожидаемую при данных условиях проведения измерений.

Погрешность и неопределенность результата измерения

Погрешность ДX = X _изм. - X _истин.

Истинное значение неизвестно, это порождает неопределенность результата измерения.

Х _{действ.} часто находят, как среднее арифметическое значение результатов нескольких измерений.

3. Методы измерений

Метод измерений -- прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным прин ципом измерений.

Методы измерений классифицируют по нескольким призна кам.

По общим приемам получения результатов измерений различают: 1) прямой метод измерений; 2) косвенный метод изме рений. Первый реализуется при прямом измерении, второй -- при косвенном измерении.

По условиям измерения различают контактный и бесконтак тный методы измерений.

Контактный метод измерений основан на том, что чувствительный элемент прибора приводится в контакт с объектом измерения (измерение температуры тела термометром).

Бескон тактный метод измерений основан на том, что чувствительный элемент прибора не приводится в контакт с объектом измере ния (измерение расстояния до объекта радиолокатором, изме рение температуры в доменной печи пирометром).

Исходя из способа сравнения измеряемой величины с ее единицей, различают методы непосредственной оценки и метод сравнения с мерой.

При методе непосредственной оценки определяют значение величины непосредственно по отсчетному устройству показывающего средства измерения (термометр, вольтметр и пр.). Мера, отражающая единицу измерения, в измерении не участвует. Ее роль играет в средстве измерения шкала, проградуированная при его производстве с помощью достаточно точных средств измерения.

При методе сравнения с мерой измеряемую величину срав нивают с величиной, воспроизводимой мерой (измерение мас сы на рычажных весах с уравновешиванием гирями). Существу ет ряд разновидностей этого метода: нулевой метод, метод из мерений с замещением, метод совпадений.

4. 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 раскрывает 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 делают техническое средство средством измерений. Если размер единицы в процессе измерений изменяется более чем установлено нормами, таким средством нельзя получить результат с требуемой точностью.

Измерять можно лишь тогда, когда техническое средство, предназначенное для этой цели, может хранить единицу, достаточно неизменную по размеру во времени.

Классификация средств измерения

По метрологическому назначению средства измерений подразделяются на :

- рабочие средства измерений, предназначенные для измерений физических величин, не связанных с передачей размера единицы другим средствам измерений. (Пример РСИ электросчетчик для измерения электрической энергии);

- образцовые средства измерений, предназначенные для обеспечения единства измерений в стране.

По степени автоматизации средства измерений подразделяются на:

- автоматические, производящие в автоматическом режиме все операции, связанные с обработкой результатов измерений, их регистрацией, передачей данных или выработкой управляющего сигнала;

- автоматизированные, производящие в автоматическом режиме одну или часть измерительных операций;

- неавтоматические, не имеющие устройств для автоматического выполнения измерений и обработки их результатов (рулетка, теодолит - для измерения плоских углов).

По стандартизации средства измерений подразделяются на:

- стандартизованные, изготовленные в соответствии с требованиями государственного или отраслевого стандарта;

- не стандартизованные - уникальные средства измерений, предназначенные для специальной измерительной задачи, в стандартизации требований к которому нет необходимости. Не стандартизованные средства измерений не подвергаются государственным испытаниям (поверкам), а подлежат метрологическим аттестациям.

По конструктивному исполнению средства измерений подразделяются на:

- меры;

- измерительные преобразователи;

- измерительные приборы;

- измерительные установки;

- измерительно-информационные системы.

Мера - 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.

Измерительный преобразователь - это техническое средство с нормированными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи. Измерительные преобразователи являются конструктивно обособленными элементами и самостоятельно для измерений не применяются. Они входят в состав измерительной установки, измерительной системы или применяются вместе с каким-либо средством измерений (например, термоэлектрический преобразователь).

Измерительный прибор - это средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне.

По способу индикации значений измеряемой величины измерительные приборы разделяются на показывающие и регистрирующие.

Различают также приборы прямого действия и приборы сравнения, аналоговые и цифровые, самопишущие и печатающие приборы.

Измерительная установка - совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенная для измерений одной или нескольких физических величин и расположенная в одном месте (например, установка для поверки счетчиков электрической энергии).

Измерительная система - совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств. Они размещаются в разных точках контролируемого объекта с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в разных целях (например, измерительная система электростанции, позволяющая получить измерительную информацию о ряде физических величин в разных энергоблоках).

В зависимости от назначения измерительные системы разделяют на информационные, контролирующие и управляющие.

5. Метрологические свойства и метрологические характеристики средств измерений

Метрологические свойства средств измерений - это свойства, влияющие на результат измерений и его погрешность. Показатели метрологических свойств являются их количественной характеристикой и называются метрологическими характеристиками.

Перечень важнейших из них регламентируется ГОСТ 8.009-84 "ГСИ. Нормируемые метрологические харак теристики средств измерений". Комплекс нормируемых метрологических ха рактеристик устанавливается таким образом, чтобы с их помощью можно было установить погрешность средств измерений в известных рабочих условиях экс плуатации.

Все метрологические свойства средств измерений можно разделить на две группы:

1) свойства, определяющие область применения средств измерений;

2) свойства, определяющие качество измерения.

К основным метрологическим характеристикам, определяющим свойства первой группы, относятся диапазон измерений и порог чувствительности.

Диапазон измерений - область значений величины, в пределах которых нормированы допускаемые пределы погрешности. Значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу или сверху (слева или справа), называют соответственно нижним или верхним пределом измерений.

Порог чувствительности - наименьшее изменение измеряемой величины, которое вызывает заметное изменение выходного сигнала. Например, если порог чувствительности весов равен 10 мг, то это означает, что заметное перемещение стрелки весов достигается малом изменении массы, как 10 мг.

К метрологическим свойствам второй группы относятся три главных свойствах, определяющих качество измерений: точность, сходимость измерений и воспроизводимость.

Наиболее широко в метрологической практике используется первое свойство - точность измерений. Рассмотрим его более подробно. Точность измерений средств измерений определяется их погрешностью.

Погрешность - это разность между показаниями средств измерений и истинным (действительным) значением измеряемой физической величины. Поскольку истинное значение физической величины не известно то-на практике пользуются ее действительным значением. Для рабочего средства измерения за действительное значение принимают показания рабочего эталона низшего разряда (допустим, 4-го), для эталона 4-го разряда, в свою очередь, - значение физической величины, полученное с помощью рабочего эталона 3-го разряда. Таким образом, за базу для сравнения принимают значения средств измерений, которое является в поверочной схеме вышестоящим по отношению к подчиненному средству измерения, подлежащему поверке:

X_п = X_п - X_о,

где ДX_п - погрешность поверяемого средства измерения; X_п - значение той же самой величины, найденное с помощью поверяемого средства измерения; X_о - значение средства измерения, принятое за базу для сравнения, т.е. действительное значение.

Наибольшее распространение получили метрологические свойства, связанные с абсолютными и относительными погрешностями.

Точность измерений средств измерений - качество измерений, отражающее близость их результатов к действительному (истинному) значению измеряемой величины. Точность определяется показателями абсолютной и относительной погрешности.

Систематическая погрешность - составляющая погрешности результата измерения, остающаяся постоянной (или же закономерно изменяющейся) при повторных измерениях одной и той же величины. Ее примером может быть погрешность градуировки, Если эта погрешность известна, то ее исключают из результатов разными способами, в частности введением поправок.

Случайная погрешность - составляющая погрешности результата измерения, изменяющаяся случайным образом (по знаку и значению) в серии повторных измерений одного итого же размера величины с одинаковой тщательностью. В появлении этого вида погрешности не наблюдается какой-либо закономерности. Они неизбежны и неустранимы, всегда присутствуют в результатах измерения. При многократном и достаточно точном измерении они порождают рассеяние результатов.

Характеристиками рассеяния являются средне арифметическая погрешность, дисперсия, размах результатов измерения. Поскольку рассеяние носит вероятностный характер, то при указании на значения случайной погрешности задают вероятность.

Заключение

Я считаю, что измерение играет важную роль в науке и технике т. к. нашу жизнь в 21 веке невозможно представить без предметов и вещей, которые нас окружают, а ведь все они при создании были кем-то и как-то измерены. Чтобы эти измерения и методы мог совершить любой человек, конечно же, необходимо их стандартизировать.

Суть измерения состоит в определении числового значения физической величины. Этот процесс называют измерительным преобразованием, подчеркивая связь измеряемой физической величины с полученным числом

Средства измерений узакониваются уполномоченным органом, например, путем утверждения типа средства измерений. Узаконенное средство измерений - средство измерений, признанное годным и допущенное для применения уполномоченным на то органом. Одним из методов официального утверждения является стандартизация средств измерений. Средства измерений подвергают испытаниям и в случае положительных результатов стандартизуют и вносят в Гос. реестр. Стандартизованное средство измерений - средство измерений, изготовленное и применяемое в соответствии с требованиями государственного или отраслевого стандарта.

Список используемой литературы

1. Колчков В. И. Метрология, стандартизация и сертификация: Учеб. пособие для студ. сред. проф. обр. -- М.: ВЛАДОС, 2010

2. Новиков Г. А. Основы метрологии / Учеб. пособие -- Ульяновск: УлГТУ, 2010

3. Хамханова Д. Н. Общая теория измерений. Учеб. пособие -- Изд-во ВСГТУ, 2006

4. Федорина Л.И., Хомутова Е. Г., Борисова В.В.

Метрология, стандартизация и сертификация, ч.1 «Основы метрологии»

Учебное пособие М., МИТХТ им. М.В.Ломоносова, 2005 - 69 с.: ил.

5. Качурина Т.А. Метрология и стандартизация: учебник для студенческих учреждений среднего профессионального образования. - М.: Академия, 2013. - 128 с.

Размещено на Allbest.ru