Виды и методы измерений

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

Екатеринбург 2015

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Уральский Федеральный университет

имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Физико-технологический институт

Кафедра «Физические методы и приборы контроля качества»

РЕФЕРАТ

по дисциплине

«Общая теория измерений»

Виды и методы измерений

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Измерения

2. Основные характеристики измерений

3. Виды измерений

4. Методы измерений

Заключение

Список использованных источников

ВВЕДЕНИЕ

Цель любого измерения - это определение состояния наблюдаемого фрагмента действительности, т. е. формирование некоторого объективного образа этой действительности. Теория измерений должна определять способы доказательства истинности и объективности образа действительности, полученного в результате измерений.

Для того чтобы установить числовое значение физической величины, необходимо провести измерение. Результатом измерения является количественная характеристика в виде именованного числа с одновременной оценкой степени приближения полученного значения измеряемой величины к истинному значению физической величины. Нахождение числового значения измеряемой величины возможно лишь опытным путем, т. е. в процессе физического эксперимента.

Для реализации любого процесса измерения необходимы технические средства, которые могут воспринимать, преобразовывать и представлять в удобном виде числовые значения физических величин. На практике при измерении физических величин применяются электрические методы и неэлектрические (например, пневматические, механические, химические и др.). Электрические методы измерений получили наиболее широкое распространение, т.к. с их помощью достаточно просто осуществлять преобразование, передачу, обработку, хранение, представление и ввод измерительной информации в ЭВМ.

1. ИЗМЕРЕНИЯ

Человек столкнулся с необходимостью измерений в глубокой древности, на раннем этапе своего развития - в практической жизни. Человеку приходилось постепенно постигать не только искусство счета, но и измерений. Когда древний человек, уже мыслящий, попытался найти для себя пещеру, он вынужден был соразмерить длину, ширину и высоту своего будущего жилища с собственным ростом. А ведь это и есть измерение. Изготовляя простейшие орудия труда, строя дома, добывая пищу, возникает необходимость измерять расстояния, а затем площади, емкости, массу, время. Если при счете человек пользовался пальцами рук и ног, то при измерении расстояний использовались руки и ноги. Не было народа, который не изобрел бы своих единиц измерения.

Соотношения между единицами мер были самые разнообразные. У всех народов складывалась сложная и запутанная система. Каждое, даже самое маленькое государство, каждый город, каждый народ стремились измерять своими мерами. Это вносило большую неразбериху при учете ценностей, особенно в торговле.

С развитием торговых отношений между иностранными государствами потребовалось создание эталонов. За это время система мер протерпела множество изменений.

Измерение ? это информационный процесс получения опытным путем численного отношения между данной физической величиной и некоторым ее значением, принятым за единицу сравнения.

Область измерений - совокупность измерений физических величин, свойственных какой-либо области науки или техники и выделяющихся своей спецификой.

Вид измерений -- часть области измерений, имеющая свои особенности и отличающаяся однородностью измеряемых величин.

Объектом измерения являются физическая система, процесс, явление и т.д., которые характеризуются одной или несколькими измеряемыми физическими величинами. Примером объекта измерений может быть технологический химический процесс, во время которого измеряют температуру, давление, энергию, расход веществ и материалов.

Три главных признака понятия «измерение»:

· Измерять можно свойства реально существующих объектов познания (физические величины);

· Измерение требует проведения опытов (теоретические рассуждения и расчет не могут заменить эксперимента);

· Для проведения опыта требуется специальные технические средства - средства измерений.

2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗМЕРЕНИЙ

Основными характеристиками измерений являются: принцип измерений, метод измерений, результат измерений и качество измерений. Качество измерений характеризуется точностью, достоверностью, правильностью, сходимостью, воспроизводимостью и погрешностью измерений.

Принцип измерений - физическое явление или совокупность физических явлений, положенных в основу измерений. Например, измерение массы тела при помощи взвешивания с использованием силы тяжести, пропорциональной массе, измерение температуры с использованием термоэлектрического эффекта.

Метод измерения ? детально намеченный порядок процесса измерений, регламентирующий методы, средства, алгоритмы выполнения измерений, которые в определенных (нормированных) условиях обеспечивают измерения с заданной точностью.

Алгоритм измерения ? точное предписание о выполнении в определенном порядке совокупности операций, обеспечивающих измерение значения физической величины.

Результат измерения ? главная цель измерений. Результат любого измерения всегда отличается от истинного значения измеряемой величины, под которым подразумевают значение физической величины идеальным образом отражающее в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта.

Часто в полученный результат вносят поправки, что находит отражение в терминологии:

- неисправленный результат измерения - значение физической величины, полученное при помощи средств измерений до внесения поправок;

- исправленный результат измерения - значение физической величины, полученное при помощи средств измерений и уточненное путем внесения в него необходимых поправок.

Приведем еще несколько важных определений:

- сходимость результатов измерений - характеристика качества измерений, отражающая близость друг к другу результатов измерений одной и той же величины, выполняемых повторно одними и теми же средствами, одним и тем же методом в одинаковых условиях;

- воспроизводимость результатов измерений - характеристика качества измерений, отражающая близость друг к другу результатов измерений одной и той же величины, полученных в разных местах, разными методами и средствами, разными операторами, в разное время, но приведенных к одним и тем же условиям (температура, давление, влажность и др.);

-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.

- погрешность результата измерений - отклонение результата измерений от истинного значения измеряемой величины. Количественно погрешность характеризуют величиной , равной разности между истинным и измеренным . значениями измеряемой величины

(2.2)

Погрешность вызывается несовершенством методов и средств измерений, непостоянством условий наблюдения, а также недостаточным опытом наблюдателя или особенностями его органов чувств.

В зависимости от причины возникновения погрешности могут быть систематическими и случайными.

Систематическими называются погрешности, не изменяющиеся во времени или изменяющиеся во времени по известному закону. Основной отличительный признак систематических погрешностей состоит в том, что они могут быть предсказаны и благодаря этому практически полностью устранены введением соответствующих поправок.

Поправкой называется значение величины, одноименной с измеряемой, прибавляемое к полученному при измерении значению величины с целью исключения систематической погрешности.

Случайными называются погрешности, изменяющиеся непредсказуемым, случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины. Основной отличительный признак случайных погрешностей состоит в том, что они (в отличие от систематических) легко обнаруживаются при повторных измерениях в виде некоторого разброса получаемых результатов. Описание случайных погрешностей может быть осуществлено только на основе теории вероятностей и математической статистики. Важно, что их влияние на результаты измерений в принципе неустранимо, а только может быть по необходимости уменьшено.

Точность результата измерений (кратко - точность измерений) - это характеристика измерений, отражающая близость их результатов к истинному значению измеряемой величины. Количественно точность можно выразить величиной, обратной модулю относительной погрешности:

где ?X- погрешность измерения, X - истинное значение измеряемой величины.

Правильность измерения определяется как качество измерения, отражающее близость к нулю систематических погрешностей результатов (т.е. таких погрешностей, которые остаются постоянными или закономерно изменяются при повторных измерениях одной и той же величины). Правильность измерений зависит, в частности, от того, насколько действительный размер единицы, в которой выполнено измерение, отличается от ее истинного размера (по определению), т.е. от того, в какой степени были правильны (верны) средства измерений, использованные для данного вида измерений.

Важнейшей характеристикой качества измерений является их достоверность. Она характеризует доверие к результатам измерений и делит их на две категории: достоверные и недостоверные, в зависимости от того, известны или неизвестны вероятностные характеристики их отклонений от истинных значений соответствующих величин. Результаты измерений, достоверность которых неизвестна, не представляют ценности и в ряде случаев могут служить источником дезинформации.

Наличие погрешности ограничивает достоверность измерений, т.е. вносит ограничение в число достоверных значащих цифр числового значения измеряемой величины и определяет точность измерений.

3. ВИДЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Существует несколько видов измерений. При их классификации обычно исходят из характера зависимости измеряемой величины от времени, вида уравнения измерений, условий, определяющих точность результата измерений и способов выражения этих результатов.

По способу нахождения числового значения физической величины измерения подразделяются на прямые, косвенные, совокупные и совместные.

Прямые измерения ? измерения, при которых искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных. Прямые измерения можно выразить формулой: Q=X, где Q - искомое значение измеряемой величины, а X - значение, непосредственно получаемое из опытных данных. При прямых измерениях экспериментальным операциям подвергают измеряемую величину, которую сравнивают с мерой непосредственно или же с помощью измерительных приборов, градуированных в требуемых единицах. Примерами прямых служат измерения длины тела линейкой, массы при помощи весов, измерение тока амперметром и др. Прямые измерения широко применяются в машиностроении, а также при контроле технологических процессов (измерение давления, температуры и др.).

Косвенные измерения ? измерения, при которых искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям, т.е. измеряют не собственно определяемую величину, а другие, функционально с ней связанные. Значение измеряемой величины находят путем вычисления по формуле:

Q=F(x₁,x₂,…,x_N),

где Q - искомое значение косвенно измеряемой величины; F - функциональная зависимость, которая заранее известна; x₁,x₂,…,x_N - значения величин, измеренных прямым способом. Примеры косвенных измерений: определение объема тела по прямым измерениям его геометрических размеров, нахождение удельного электрического сопротивления проводника по его сопротивлению, длине и площади поперечного сечения, определение значения сопротивления резистора R=U/I по измеренным значениям напряжения U и тока I.

Косвенные измерения широко распространены в тех случаях, когда искомую величину невозможно или слишком сложно измерить непосредственно, или когда прямое измерение дает менее точный результат. Роль их особенно велика при измерении величин, недоступных непосредственному экспериментальному сравнению, например, размеров астрономического или внутриатомного порядка.

Совокупные измерения ? производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин. Примером совокупных измерений является определение массы отдельных гирь набора (калибровка по известной массе одной из них и по результатам прямых сравнений масс различных сочетаний гирь).

Совместные измерения ? производимые одновременно измерения двух или нескольких не одноимённых величин для нахождения зависимости между ними. В качестве примера можно назвать измерение электрического сопротивления при 20⁰С и температурных коэффициентов измерительного резистора по данным прямых измерений его сопротивления при различных температурах.

Измерения могут выполняться с однократными или многократными наблюдениями.

Однократное измерение -- измерение, выполненное один раз.

Многократное измерение -- измерение физической величины одного и того же размера, результат которого получен из нескольких следующих друг за другом измерений, то есть состоящее из ряда однократных измерений. Применение многократных измерений позволяет повысить точность измерения до определенного предела.

По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения разделяются на:

· статические, при которых измеряемая величина остается постоянной во времени в процессе измерения;

· динамические, при которых измеряемая величина изменяется в процессе измерения и является непостоянной во времени.

Статическими измерениями являются, например, измерения размеров тела, постоянного давления, динамическими - измерения пульсирующих давлений, вибраций. измерение доказательство единица мера

По способу выражения результатов измерения различают измерения:

· Абсолютные - измерения, которые основаны на прямых измерениях одной или нескольких основных величин или на использовании значений физических констант. Примером абсолютных измерений может служить определение длины в метрах, силы электрического тока в амперах, ускорения свободного падения в метрах на секунду в квадрате;

· Относительные - называются измерения отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную. В качестве примера относительных измерений можно привести измерение относительной влажности воздуха, определяемой как отношение количества водяных паров в 1 м3 воздуха к количеству водяных паров, которое насыщает 1 м³ воздуха при данной температуре.

По условиям, определяющим точность результатов, измерения бывают:

1. Максимально возможной точности, достигаемой при существующем уровне техники.

К ним относятся в первую очередь эталонные измерения, связанные с максимально возможной точностью воспроизведения установленных единиц физических величин, и, кроме того, измерения физических констант, прежде всего универсальных (например, абсолютного значения ускорения свободного падения, гиромагнитного отношения протона и др.). К этому же классу относятся и некоторые специальные измерения, требующие высокой точности;

2. Контрольно-поверочные, погрешность которых не должна превышать некоторое заданное значение.

К ним относятся измерения, выполняемые лабораториями государственного надзора за внедрением и соблюдением стандартов и состоянием измерительной техники, и заводскими измерительными лабораториями, которые гарантируют погрешность результата с определенной вероятностью, не превышающей некоторого, заранее заданного значения;

3. Технические, в которых погрешность результата определяется характеристиками средств измерений.

Примерами технических измерений являются измерения, выполняемые в процессе производства на машиностроительных предприятиях, на щитах распределительных устройств электрических станций и др.

По точности:

Равноточные измерения -- однотипные результаты, получаемые при измерениях одним и тем же инструментом или им подобным по точности прибором, одним и тем же (или аналогичным) методом и в тех же условиях.

Неравноточные измерения -- ряд измерений какой-либо величины, выполненных несколькими различными по точности СИ и (или) в нескольких разных условиях.

4. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Различают методы измерения:

1. Метод непосредственной оценки ? метод измерений, в котором значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия, заранее градуированного в единицах измеряемой физической величины. Поскольку данный метод прост, он и наиболее распространен, хотя точность его невысока. Это может быть измерение веса на циферблатных весах, либо измерение размера деталей, при помощи микрометра. Измерение при помощи данного метода выполняется довольно быстро и просто и при этом не нужны особые знания оператора. Но непосредственная точность подобных измерений является весьма низкой, по причине собственных погрешностей, что зависят от самой разметки на шкале подобных устройств, а также, непосредственного воздействия косвенных (внешних) причин.

2. Метод сравнения с мерой ? метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Этот метод по сравнению с методом непосредственной оценки более точен, но несколько сложен. Метод сравнения имеет следующие модификации: противопоставления, дифференциальный, нулевой, замещения, совпадения.

Метод противопоставления ? метод сравнения с мерой, в котором измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одно- временно воздействуют на прибор сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение между этими величинами. Метод применяют при измерении ЭДС, напряжения, тока. Характерным является наличие двух источников энергии.

Дифференциальный метод ? метод сравнения с мерой, в котором на измерительный прибор воздействует разность между измеряемой величиной и известной величиной, воспроизводимой мерой. Точность метода возрастает с уменьшением разности между значениями сравниваемых величин. Метод применяют при измерении параметров цепей (сопротивления, индуктивности, взаимоиндуктивности, емкости), напряжения и др.

Нулевой метод ? метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля. Наглядным примером данного метода является взвешивание на равноплечих весах. В этом способе при равенстве сравниваемой величины и искомой, будет, показывать ноль. При таком измерении, компенсация различных влияний на величины оказывается более широкой, а само значение искомой величины, приравнивается к значению эталонной меры.

Метод замещения ? метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой. Метод замещения часто применяют при измерении параметров цепей. В сочетании с явлением резонанса на высоких частотах он позволяет исключить паразитные сигналы (шумы) и обеспечить высокую точность.

Метод совпадений ? метод сравнения с мерой, в котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадения отметок шкал или периодических сигналов. Метод применяют при измерении частот, приеме точных сигналов времени. Рассмотренные методы определяют принципы построения измерительных приборов.

Это, что касалось самих методов, ну а к ним, для повышения степени точности, дополнительно используют различные компенсационные средства и способы. В комплексе они способны выдавать хорошие и точные результаты в различных своих видах исполнения и вариантах использования.

По условиям измерения различают :

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

· Бесконтактный метод измерений основан на том, что чувствительный элемент прибора не приводится в контакт с объектом измерения (измерение расстояния до объекта радиолокатором, измерение температуры в доменной печи пирометром).

В зависимости от измерительных средств, используемых в процессе измерения, различают инструментальный, экспертный, эвристический и органолептический методы измерений.

• Инструментальный метод основан на использовании специальных технических средств, в том числе автоматизированных и автоматических.

• Экспертный метод оценки основан на использовании данных нескольких специалистов. Широко применяется в квалиметрии, спорте, искусстве, медицине.

• Эвристические методы оценки основаны на интуиции. Широко используется способ попарного сопоставления, когда измеряемые величины сначала сравниваются между собой попарно, а затем производится ранжирование на основании результатов этого сравнения.

• Органолептпические методы оценки основаны на использовании органов чувств человека (осязания, обоняния, зрения, слуха и вкуса). Часто используются измерения на основе впечатлений (конкурсы мастеров искусств, соревнования спортсменов).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Д.И. Менделеев писал: "Наука начинается с тех пор, как начинают измерять: точная наука немыслима без меры".

Измерения являются одними из важнейших информационных технологий. Развитие науки и техники тесно связано с измерениями. Научные исследования сопровождаются измерениями, позволяющими установить количественные соотношения и закономерности свойств изучаемых явлений. Измерения встречаются в повседневной жизни ежесекундно. Измерения влияют на наше здоровье, учебу, развитие… на нашу жизнь!

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 РМГ 29-99 ГСИ. Метрология. Основные термины и определения

2 Учебное пособие по дисциплине ОТИ - http://biryukovurfu.ru/

3 Лекция Измерение информации - http://www.lan.krasu.ru/studies/authors/pak/Lekc.htm

4 Краткие сведения об истории развития метрологии - http://www.metrologie.ru/metrology-theory-2-2.htm

5 https://ru.wikipedia.org/wiki/Измерение

Размещено на Allbest.ru