Применяемые при измерении методы отличаются используемым оборудованием, сложностью или простотой проведения измерений и, соответственно, метрологическими характеристиками полученного результата, в основном, точностью.
Метод измерения – это совокупность способов и приемов сравнения измеряемой ФВ с её единицей в соответствии с реализованным принципом измерений.
Принцип измерений – это физическое явление или эффект, положенный в основу измерений. Например, измерение массы на весах (использование силы тяжести)
Результат измерений – это значение измеряемой величины, полученное путем проведения измерений.
Погрешность результата измерений – отклонение результата измерений от истинного (действительного) значения измеряемой величины
Точность измерений – одна из характеристик качества измерений, отражающая близость к 0 погрешности результата измерений.
Достоверность – это характеристика качества измерений, отражающая степень доверия к их результатам и доверительную вероятность того, что истинное значение измеряемой величины находится в указанных доверительных границах.
Сходимость результатов измерений – близость друг к другу результатов измерений одной и той же величины, проведенных в одинаковых условиях одним и тем же методом.
Воспроизводимость – характеристика качества измерений, отражающая близость друг к другу результатов измерений, полученных в разных местах, разными методами, разными средствами, разными операторами в разное время, но приведенных к одним и тем же условиям (температура, давление, влажность и уровень действующих помех – ЭМ-помехи, ЭС-помехи, оптические)
Правильность результата измерений – характеристика качества измерений, отражающая близость к 0 систематической погрешности (погрешность, возникающая при всех измерениях величины, величина погрешности может быть установлена, а значит устранена).
При проведении измерений предполагается:
1.сравнение измеряемой ФВ с однородной ФВ, принятой за ед-цу (исп-ся компаратор)
2.измерительное преобразование –преобр-ние входной величины в выходную с исп-м известной связи между этими величинами. Выходные сигналы измерит-х преобр-лей явл-ся унифиц-ми: напряжение0..10 и пост.ток 0..5мА, 4..20мА, 0..20мА
3.масштабирование – формирование выходного сигнала однородного с входным, размер информативного пар-ра выходного сигнала пропорционален размеру информатив-го пар-ра входного сигнала (реализ-ся с помощью масштабного преобр-ля)
Методы измерений классифицируются по различным признакам:
Физический принцип, положенный в основе измерения (электрические, механические, магнитные, оптические измерения)
Степень взаимодействия средства и объекта измерения – контактный и бесконтактный (измерение температуры термометров сопротивления, измерение температуры пирометров по излучению)
Режим взаимодействия средства и объекта измерения (статический и динамический)
Вид измерительных сигналов (аналоговый и цифровой)
Организация сравнения измеряемой величины с мерой (метод непосредственной оценки \ отсчета – метод, при котором значение измеряемой величины определяют непосредственно по показывающему средству измерений – отличается простотой, но точность невысока. Метод сравнения с мерой – измеряемая величина сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой – эти методы сложны в реализации, но характеризуются высокой точностью, подразделяются на дифференциальные, нулевые, замещения, совпадений)
Дифференциальный (разностный метод) – измерительным прибором оценивается разность между измеряемой величиной и однородной величиной, имеющей известное значение. Точность метода возрастает при уменьшении разности между сравниваемыми величинами.
Нулевой метод – частный случай дифференциального, и заключается в том, что результирующий эффект воздействия измеряемой величины и образцовой мерой на прибор сравнения доводится до 0 (измерение электрического сопротивления с помощью мостовой схемы с полным уравновешиванием моста путем регулирования номиналов его элементов).
Метод замещения – измеряемая величина замещается мерой с известным значением величины
Метод совпадений - измеряют разность между искомой величиной и образцовой мерой, используя совпадения отметок или периодических сигналов (при измерении перемещений, периода, частоты).
Под качеством измерений понимают совокупность свойств, обусловливающих получение результатов с требуемыми точностными характеристиками и в необходимом виде.
Качество измерений характеризуется такими показателями, как точность, правильность, достоверность, сходимость и воспроизводимость результатов.
Точность измерения – качество измерения, отражающее близость его результата к истинному значению измеряемой величины. Количественно точность может быть выражена величиной, обратной относительной погрешности, взятой по модулю.
Правильность измерений – это характеристика качества измерений, отражающая близость к нулю систематической погрешности результатов измерений.
Достоверность измерений определяется степенью доверия к результату измерения и характеризуется вероятностью того, что истинное значение измеряемой величины находится в указанных пределах.
Сходимость результата измерений – характеристика качества измерений, отражающая близость друг к другу результатов измерений одной и той же величины, выполняемых повторно одними и теми же методами т средствами измерений и в одних и тех же 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 измерений, разными операторами, но приведенных к одним и тем же условиям.
Классификация измерений
Измерения классифицируются по нескольким признакам.
а) По зависимости измеряемой величины от времени:
статические (измеряемая величина остается постоянной во времени в процессе измерения);
динамические (измеряемая величина изменяется в процессе измерения).
б) По сложившимся совокупностям измеряемых величин:
электрические ;
механические ;
теплотехнические ;
физико-химические ;
радиационные ;
и т.д .
в) По условиям, определяющим точность результата:
измерения максимально возможной точности , достижимой при современном уровне техники. Это измерения, связанные с созданием и воспроизведением эталонов, а также измерения универсальных физических констант;
контрольно-поверочные измерения , погрешности которых не должны превышать заданного значения. Такие измерения осуществляются государственными и ведомственными метрологическими службами;
технические измерения , в которых погрешность результата определяется характеристиками средств измерений. Технические измерения являются наиболее распространенными и выполняются во всех отраслях хозяйства и науки. К ним, в частности, относятся и технологические измерения.
г) По числу измерений (наблюдений), выполняемых для получения результата:
измерения с однократным наблюдением (обыкновенные );
измерения с многократными наблюдениями (статистические ).
Под наблюдением при измерении в данном случае понимают экспериментальную операцию, выполняемую в процессе измерения, в результате которой получают одно значение из группы значений величины, подлежащих совместной обработке для получения результатов измерения.
д) По способу получения результата (по виду уравнения измерения):
прямые измерения – измерения, при которых искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных. В процессе прямого измерения объект измерения приводится во взаимодействие со средством измерений и по показаниям последнего, отсчитывают значение измеряемой величины или указанные измерения умножаются на постоянный коэффициент для определения значения измеряемой величины. Математически прямое измерение можно описать выражением (2). Примером прямых измерений могут служить: измерение длины линейкой, массы с помощью весов, температуры термометром и т.д. К прямым измерениям относят измерения подавляющего большинства параметров химико-технологических процессов.
косвенные измерения - измерения, при которых искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям.
Примером косвенных измерений могут служить измерения: плотности однородного тела по его массе и объему, электрического сопротивления по падению напряжения и силе тока и т.д.
В современных микропроцессорных измерительных приборах очень часто вычисления искомой измеряемой величины производятся “внутри” прибора. Измерения, проводимые такого рода средствами измерений, относятся к прямым измерениям. К косвенным измерениям относятся только такие измерения, при которых расчет осуществляется в ручную или автоматически, но после получения результатов прямых измерений. При этом может быть учтена отдельно погрешность расчета.
совокупные измерения – проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величины находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин.
Пример . Нахождение сопротивлений двух резисторов по результатам измерения их сопротивлений при последовательном и параллельном включении резисторов.
R2= (R 1 *R 2)/ (R 1 +R 2)
совместные измерения – проводимые одновременно измерения двух или нескольких не одноименных величин для нахождения зависимости между ними.
Например . При определении зависимости сопротивления резистора от температуры используют известное выражение:
где R t – сопротивление резистора при некоторой температуре t; R 20 – сопротивление резистора при температуре 20 о С; α и β – температурные коэффициенты. Искомые значения R 20 , α и β находят решением системы трех уравнений, составленной для трех различных значений температуры. Здесь сопротивление R t и температура t измеряются прямым способом.
Кроме приведенных выше признаков классификации измерений для конкретных случаев при необходимости могут быть использованы и другие. Например, измерения можно подразделить в зависимости от места выполнения на лабораторные и промышленные; в зависимости от процедуры выполнения во времени – на непрерывные и периодические; в зависимости от формы представления результатов – на абсолютные и относительные и т.д.
Страница 1
Точность измерения. Основное понятие. Критерии выбора точности измерений. Классы точности средств измерений. Примеры средств измерений разных классов точности.
Измерение – совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу величины, обеспечивающих нахождение соотношения измеряемой величины с ее единицей в явном или неявном виде и получение значения этой величины.
Вообще метрология – это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.
Усовершенствование точности измерений стимулировало развитие наук, предоставляя более достоверные и чувствительные средства исследований.
От точности средств измерения зависит эффективность выполнения различных функций: погрешности счетчиков энергии приводят к неопределенности в учете электроэнергии; погрешности весов ведут к обману покупателей или к большим объемам неучтенного товара.
Повышение точности измерений позволяет определить недостатки технологических процессов и устранить эти недостатки, что приводит к повышению качества продукции, экономии энергетических и тепловых ресурсов, сырья, материалов.
Измерения могут быть классифицированы по характеристике точности на:
Равноточные – ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности средствами измерений и в одних и тех же условиях;
Неравноточные - ряд измерений какой-либо величины, выполненных несколькими различными по точности СИ и (или) в нескольких разных условиях.
К разным видам средств измерения предъявляют специфические требования: например, лабораторные средства должны обладать повышенной точностью и чувствительностью. Высокоточными СИ являются, например, эталоны.
Эталон единицы величины – средство измерений, предназначенное для воспроизведения и хранения единицы величины, кратных или дольных ее значений с целью передачи ее размера другим средствам измерений данной величины. Эталоны являются высокоточными средствами измерений и поэтому используются для проведения метрологических измерений в качестве средств передачи информации о размере единицы. Размер единицы передается «сверху вниз» от более точных средств измерений к менее точным «по цепочке»: первичный эталон ® вторичный эталон ® рабочий эталон 0-го разряда ® рабочий эталон 1-го разряда … ® рабочее средство 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. Все метрологические свойства средств измерений можно разделить на две группы:
· Свойства, определяющие область применения СИ
· Свойства, определяющие качество измерения. К таким свойствам относятся точность, сходимость и воспроизводимость.
Наиболее широко в метрологической практике используется свойство точности измерений, которое определяется погрешностью.
Погрешность измерения – разность между результатом измерения и истинным значением измеряемой величины.
Точность измерений СИ – качество измерений, отражающее близость их результатов к действительному (истинному) значению измеряемой величины. Точность определяется показателями абсолютной и относительной погрешности.
Абсолютная погрешность определяется по формуле: Хп= Хп - Х0,
где: Хп – погрешность поверяемого СИ; Хп – значение той же самой величины, найденное с помощью поверяемого СИ; Х0 - значение СИ, принятое за базу для сравнения, т.е. действительное значение.
Однако в большей степени точность средств измерений характеризует относительная погрешность, т.е. выраженное в процентах отношение абсолютной погрешности к действительному значению величины, измеряемой или воспроизводимой данным СИ.
В стандартах нормируют характеристики точности, связанные и с другими погрешностями:
Систематическая погрешность – составляющая погрешности результата измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющейся при повторных измерениях одной и той же величины. Такая погрешность может проявиться, если смещен центр тяжести СИ или СИ установлен не на горизонтальной поверхности.
Случайная погрешность – составляющая погрешности результата измерения, изменяющаяся случайным образом в серии повторных измерений одного и того же размера величины с одинаковой тщательностью. Такие погрешности не закономерны, но неизбежны и присутствуют в результатах измерения.
Погрешность измерений не должна превышать установленных пределов, которые указаны в технической документации к прибору или в стандартах на методы контроля (испытаний, измерений, анализа).
Чтобы исключить значительные погрешности, проводят регулярную поверку средств измерений, которая включает в себя совокупность операций, выполняемых органами государственной метрологической службы или другими уполномоченными органами с целью определения и подтверждения соответствия средства измерений установленным техническим требованиям.
В повседневной производственной практике широко пользуются обобщенной характеристикой – классом точности.
Класс точности средств измерений – обобщенная характеристика, выражаемая пределами допускаемых погрешностей, а также другими характеристиками, влияющими на точность. Классы точности конкретного типа СИ устанавливают в нормативных документах. При этом для каждого класса точности устанавливают конкретные требования к метрологическим характеристикам, в совокупности отражающим уровень точности СИ данного класса. Класс точности позволяет судить о том, в каких пределах находится погрешность измерений этого класса. Это важно знать при выборе СИ в зависимости от заданной точности измерений.
Обозначение классов точности осуществляются следующим образом:
s Если пределы допускаемой основной погрешности выражены в форме абсолютной погрешности СИ, то класс точности обозначается прописными буквами римского алфавита. Классам точности, которым соответствуют меньшие пределы допускаемых погрешностей, присваиваются буквы, находящиеся ближе к началу алфавита.
1. Предмет и задачи метрологии
Под метрологией подразумевается наука об измерениях, о существующих средствах и методах, помогающих соблюсти принцип их единства, а также о способах достижения требуемой точности.
Происхождение самого термина «метрология» возводят к двум греческим словам: metron, что переводится как «мера», и logos – «учение». Бурное развитие метрологии пришлось на конец ХХ в. Оно неразрывно связано с развитием новых технологий. До этого метрология была лишь описательным научным предметом. Таким образом, можно сказать, что метрология изучает:
1) методы и средства для учета продукции по следующим показателям: длине, массе, объему, расходу и мощности;
2) измерения физических величин и технических параметров, а также свойств и состава веществ;
3) измерения для контроля и регулирования технологических процессов.
Выделяют несколько основных направлений метрологии:
1) общая теория измерений;
2) системы единиц физических величин;
3) методы и средства измерений;
4) методы определения точности измерений;
5) основы обеспечения единства измерений, а также основы единообразия средств измерения;
6) эталоны и образцовые средства измерений;
7) методы передачи размеров единиц от образцов средств измерения и от эталонов рабочим средствам измерения.
Следует различать также объекты метрологии: 1) единицы измерения величин;
2) средства измерений;
3) методики, используемые для выполнения измерений и т. д.
Метрология включает в себя: во-первых, общие правила, нормы и требования, во-вторых, вопросы, нуждающиеся в государственном регламентировании и контроле. И здесь речь идет о:
1) физических величинах, их единицах, а также об их измерениях;
2) принципах и методах измерений и о средствах измерительной техники;
3) погрешностях средств измерений, методах и средствах обработки результатов измерений с целью исключения погрешностей;
4) обеспечении единства измерений, эталонах, образцах;
5) государственной метрологической службе;
6) методике поверочных схем;
7) рабочих средствах измерений.
В связи с этим задачами метрологии становятся: усовершенствование эталонов, разработка новых методов точных измерений, обеспечение единства и необходимой точности измерений.
2 Классификация измерений
Классификация средств измерений может проводиться по следующим критериям.
1. По характеристике точности измерения делятся на равноточные и неравноточные.
Равноточными измерениями физической величины называется ряд измерений некоторой величины, сделанных при помощи средств измерений (СИ), обладающих одинаковой точностью, в идентичных исходных условиях.
Неравноточными измерениями физической величины называется ряд измерений некоторой величины, сделанных при помощи средств измерения, обладающих разной точностью, и (или) в различных исходных условиях.
2. По количеству измерений измерения делятся на однократные и многократные.
3. По типу изменения величины измерения делятся на статические и динамические.
Статические измерения – это измерения постоянной, неизменной физической величины.
Динамические измерения – это измерения изменяющейся, непостоянной физической величины.
4. По предназначению измерения делятся на технические и метрологические.
Технические измерения – это измерения, выполняемые техническими средствами измерений.
Метрологические измерения – это измерения, выполняемые с использованием эталонов.
5. По способу представления результата измерения делятся на абсолютные и относительные.
Абсолютные измерения – это измерения, которые выполняются посредством прямого, непосредственного измерения основной величины и (или) применения физической константы. Относительные измерения – это измерения, при которых вычисляется отношение однородных величин, причем числитель является сравниваемой величиной, а знаменатель – базой сравнения (единицей).
6. По методам получения результатов измерения делятся на прямые, косвенные, совокупные и совместные.
Прямые измерения – это измерения, выполняемые при помощи мер, т. е. измеряемая величина сопоставляется непосредственно с ее мерой. Примером прямых измерений является измерение величины угла (мера – транспортир).
Косвенные измерения – это измерения, при которых значение измеряемой величины вычисляется при помощи значений, полученных посредством прямых измерений.
Совокупные измерения – это измерения, результатом которых является решение некоторой системы уравнений. Совместные измерения – это измерения, в ходе которых измеряется минимум две неоднородные физические величины с целью установления существующей между ними зависимости.
3. Основные характеристики измерений
Выделяют следующие основные характеристики измерений:
1) метод, которым проводятся измерения;
2) принцип измерений;
3) погрешность измерений;
4) точность измерений;
5) правильность измерений;
6) достоверность измерений.
Метод измерений – это способ или комплекс способов, посредством которых производится измерение данной величины, т. е. сравнение измеряемой величины с ее мерой согласно принятому принципу измерения.
Существует несколько критериев классификации методов измерений.
1. По способам получения искомого значения измеряемой величины выделяют:
1) прямой метод (осуществляется при помощи прямых, непосредственных измерений);
2) косвенный метод.
2. По приемам измерения выделяют:
1) контактный метод измерения;
2) бесконтактный метод измерения.
Контактный метод измерения основан на непосредственном контакте какой-либо части измерительного прибора с измеряемым объектом.
При бесконтактном методе измерения измерительный прибор не контактирует непосредственно с измеряемым объектом.
3. По приемам сравнения величины с ее мерой выделяют:
1) метод непосредственной оценки;
2) метод сравнения с ее единицей.
Метод непосредственной оценки основан на применении измерительного прибора, показывающего значение измеряемой величины.
Метод сравнения с мерой основан на сравнении объекта измерения с его мерой.
Принцип измерений – это некое физическое явление или их комплекс, на которых базируется измерение.
Погрешность измерения – это разность между результатом измерения величины и настоящим (действительным) значением этой величины.
Точность измерений – это характеристика, выражающая степень соответствия результатов измерения настоящему значению измеряемой величины.
Правильность измерения – это качественная характеристика измерения, которая определяется тем, насколько близка к нулю величина постоянной или фиксировано изменяющейся при многократных измерениях погрешности (систематическая погрешность).
Достоверность измерений – это характеристика, определяющая степень доверия к полученным результатам измерений.
4 Понятие о физической величине Значение систем физических единиц
Физическая величина является понятием как минимум двух наук: физики и метрологии. По определению физическая величина представляет собой некое свойство объекта, процесса, общее для целого ряда объектов по качественным параметрам, отличающееся, однако, в количественном отношении (индивидуальная для каждого объекта). Есть целый ряд классификаций, созданных по различным признакам. Основными из них является деления на:
1) активные и пассивные физические величины – при делении по отношению к сигналам измерительной информации. Причем первые (активные) в данном случае представляют собой величины, которые без использования вспомогательных источников энергии имеют вероятность быть преобразованными в сигнал измерительной информации. А вторые (пассивные) представляют собой такие величины, для измерения которых нужно использовать вспомогательные источники энергии, создающие сигнал измерительной информации;
2) аддитивные (или экстенсивные) и неаддитивные (или интенсивные) физические величины – при делении по признаку аддитивности. Считается, что первые (аддитивные) величины измеряются по частям, кроме того, их можно точно воспроизводить с помощью многозначной меры, основанной на суммировании размеров отдельных мер. А вторые (неаддитивные) величины прямо не измеряются, так как они преобразуются в непосредственное измерение величины или измерение путем косвенных измерений. В 1791 г. Национальным собранием Франции была принята первая в истории система единиц физических величин. Она представляла собой метрическую систему мер. В нее входили: единицы длин, площадей, объемов, вместимостей и веса. А в их основу были положены две общеизвестные ныне единицы: метр и килограмм.
В основу своей методики ученый заложил три основные независимые друг от друга величины: массу, длину, время. А в качестве основных единиц измерения данных величин математик взял миллиграмм, миллиметр и секунду, поскольку все остальные единицы измерения можно с легкостью вычислить с помощью минимальных. Так, на современном этапе развития выделяют следующие основные системы единиц физических величин:
1) система СГС (1881 г.);
2) система МКГСС (конец XIX в.);
3) система МКСА (1901 г.)
5. Международная система единиц
Решениями Генеральной конференции по мерам и весам приняты такие определения основных единиц измерения физических величин:
1) метр считается длинной пути, который проходит свет в вакууме за 1/299 792 458 долю секунды;
2) килограмм считается приравненным к существующему международному прототипу килограмма;
3) секунда равна 919 2631 770 периодам излучения, соответствующего тому переходу, который происходит между двумя так называемыми сверхтонкими уровнями основного состояния атома Cs133;
4) ампер считается мерой той силы неизменяющегося тока, вызывающего на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия при условии прохождения по двум прямолинейным параллельным проводникам, обладающим такими показателями, как ничтожно малая площадь кругового сечения и бесконечная длина, а также расположение на расстоянии в 1 м друг от друга в условиях вакуума;
5) кельвин равен 1/273,16 части термодинамической температуры, так называемой тройной точки воды;
6) моль равен количеству вещества системы, в которую входит такое же количество структурных элементов, что и в атомы в С 12 массой 0,01 2 кг.
Кроме того, Международная система единиц содержит две достаточно важные дополнительные единицы, необходимые для измерения плоского и телесного углов. Так, единица плоского угла – это радиан, или сокращенно рад, представляющий собой угол между двух радиусов окружности, длина дуги между которыми равняется радиусу окружности. Если речь идет о градусах, то радиан равен 57°17" 48"". А стерадиан, или ср, принимаемый за единицу телесного угла, представляет собой, соответственно, телесный угол, расположение вершины которого фиксируется в центре сферы, а площадь, вырезаемая данным углом на поверхности сферы, равна площади квадрата, сторона которого равна длине радиуса сферы. Другие дополнительные единицы СИ используются для формирования единиц угловой скорости, а также углового ускорения и т. д. Радиан и стерадиан используются для теоретических построений и расчетов, поскольку большая часть значимых для практики значений углов в радианах выражаются трансцендентными числами. К внесистемным единицам относятся следующие:
1) за логарифмическую единицу принята десятая часть бела, децибел (дБ);
2) диоптрия – сила света для оптических приборов;
3) реактивная мощность – Вар (ВА);
4) астрономическая единица (а. е.) – 149,6 млн км;
5) световой год, под которым понимается такое расстояние, которое луч света проходит за 1 год;
6) вместимость – литр;
7) площадь – гектар (га).
Существуют также единицы, вообще не входящие в СИ. Это в первую очередь такие единицы, как градус и минута. Все остальные единицы считаются производными, которые согласно Международной системе единиц образуются с помощью самых простейших уравнений с использованием величин, числовые коэффициенты которых приравнены к единице. Если в уравнении числовой коэффициент равен единице, производная единица называется когерентной.
6. Физические величины и измерения
Объектом измерения для метрологии, как правило, являются физические величины. Физические величины используется для характеристики различных объектов, явлений и процессов. Разделяют основные и производные от основных величины. Семь основных и две дополнительных физических величины установлены в Международной системе единиц. Это длина, масса, время, термодинамическая температура, количество вещества, сила света и сила электрического тока, дополнительные единицы – это радиан и стерадиан. У физических величин есть качественные и количественные характеристики.
Качественное различие физических величин отражается в их размерности. Обозначение размерности установлено международным стандартом ИСО, им является символ dim*.
Количественная характеристика объекта измерения – это его размер, полученный в результате измерения. Самый элементарный способ получить сведения о размере определенной величины объекта измерения – это сравнить его с другим объектом. Результатом такого сравнения не будет точная количественная характеристика, оно позволит лишь выяснить, какой из объектов больше (меньше) по размеру. Сравниваться могут не только два, но и большее число размеров. Если размеры объектов измерения расположить по возрастанию или по убыванию, то получится шкала порядка. Процесс сортировки и расположения размеров по возрастанию или по убыванию по шкале порядка называется ранжированием. Для удобства измерений определенные точки на шкале порядка фиксируются и называются опорными, или реперными точками. Фиксированным точкам шкалы порядка могут ставиться в соответствие цифры, которые часто называют баллами.
У реперных шкал порядка есть существенный недостаток: неопределенная величина интервалов между фиксированными реперными точками.
Самым оптимальным вариантом является шкала отношений. Шкалой отношений является, например, шкала температуры Кельвина. На данной шкале есть фиксированное начало отсчета – абсолютный ноль (температура, при которой прекращается тепловое движение молекул). Основное преимущество шкалы отношений состоит в том, что с ее помощью можно определить, во сколько раз один размер больше или меньше другого.
Размер объекта измерения может быть представлен в разных видах. Это зависит от того, на какие интервалы разбита шкала, с помощью которой измеряется данный размер.
Например, время движения может быть представлено в следующих видах: T = 1 ч = 60 мин = 3600 с. Это значения измеряемой величины. 1, 60, 3600 – это числовые значения данной величины.
7. Эталоны и образцовые средства измерений
Все вопросы, связанные охранением, применением и созданием эталонов, а также контроль за их состоянием, решаются по единым правилам, установленным ГОСТом «ГСИ. Эталоны единиц физических величин. Основные положения» и ГОСТом «ГСИ. Эталоны единиц физических величин. Порядок разработки и утверждения, регистрации, хранения и применения». Классифицируются эталоны по принципу подчиненности. По этому параметру эталоны бывают первичные и вторичные.
Вторичный эталон воспроизводит единицу при особенных условиях, заменяя при этих условиях первичный эталон. Он создается и утверждается для целей обеспечения минимального износа государственного эталона. Вторичные эталоны могут делиться по признаку назначения. Так, выделяют:
1) эталоны-копии, предназначенные для передачи размеров единиц рабочим эталонам;
2) эталоны-сравнения, предназначенных для проверки невредимости государственного эталона, а также для целей его заменяя при условии его порчи или утраты;
3) эталоны-свидетели, предназначенные для ели-чения эталонов, которые по ряду различных причин не подлежат непосредственному сличению друг с другом;
4) рабочие эталоны, которые воспроизводят единицу от вторичных эталонов и служат для передачи размера эталону более низкого разряда. Вторичные эталоны создают, утверждают, хранят и применяют министерства и ведомства. \
Существует также понятие «эталон единицы», под которым подразумевают одно средство или комплекс средств измерений, направленных на воспроизведение и хранение единицы для последующей трансляции ее размера нижестоящим средствам измерений, выполненных по особой спецификации и официально утвержденных в установленном порядке в качестве эталона. Есть два способа воспроизведения единиц по признаку зависимости от технико-экономических требований:
1) централизованный способ – с помощью единого для целой страны или же группы стран государственного эталона. Централизованно воспроизводятся все основные единицы и большая часть производных;
2) децентрализованный способ воспроизведения – применим к производным единицам, сведения о размере которых не передаются непосредственным сравнением с эталоном.
Существует также понятие «образцовые средства измерений», которые используются для закономерной трансляции размеров единиц в процессе поверки средств измерения и используются лишь в подразделениях метрологической службы. Разряд образцового средства измерения определяется в ходе измерений метрологической аттестации одним из органов Государственного комитета по стандартам.
Применение рассмотренных выше элементов общей теории измерений необходимо для обеспечения точности и достоверности результата измерения. При многократных наблюдениях получают ряд значений, обрабатывая которые находят результат измерения. Для обработки применяют инструменты математической статистики, рассматривая ряд значений как выборку из генеральной совокупности. Опираясь на теорию вероятностей, математическая статистика позволяет оценить надежность и точность выводов, делаемых на основании ограниченного статистического материала.
Точность характеризуется значением, обратным значению относительной погрешности . Величина, обратная абсолютной погрешности , называется мерой точности. В зависимости от требуемой точности, в процессе измерений могут применяться как однократные, так и многократные наблюдения. Если выполняется лишь одно наблюдение, то результат наблюдения является результатом измерения. Если выполняется больше одного наблюдения, результат измерения получают в итоге обработки результатов наблюдений, как правило, в виде среднего арифметического.
Требуемая точность технических измерений может также обеспечиваться повторением многократных наблюдений. В этом случае многократные наблюдения одного и того же объекта выполняются несколько раз. Чтобы сократить время, необходимое для обработки нескольких рядов многократных наблюдений, в начале процесса обработки применяют индикаторы, позволяющие определить предпочтительный ряд и в дальнейшем обрабатывать только этот ряд.
Такими индикаторами является сумма остаточных погрешностей и сумма квадратов остаточных погрешностей. Эти индикаторы являются косвенной характеристикой несмещенности и эффективности оценки, полученной при обработке результатов многократных наблюдений.
Если измерения проводились несколько раз и получено несколько рядов результатов наблюдений, то при одинаковом количестве наблюдений в разных рядах наименьшую сумму остаточных погрешностей будет иметь тот ряд, в котором результаты распределились симметрично относительно среднего арифметического значения, т.е. наиболее близко к нормальному закону. Для дальнейших вычислений рекомендуется выбирать именно его, т.к. он в наибольшей степени будет удовлетворять условию равноточности, а при исключенной систематической погрешности - условию несмещенности оценки результата измерения.
Несмещенная оценка - статистическая оценка, математическое ожидание которой совпадает с оцениваемой величиной. Про несмещенную оценку говорят, что она лишена систематической ошибки.
Однако симметричность не является исчерпывающей характеристикой распределения. Следующим важным в метрологии признаком является компактность распределения. По этому признаку при фиксированном числе наблюдений предпочтительный ряд может быть определен индикатором эффективности. Эффективной называется та из нескольких возможных несмещенных оценок, которая имеет наименьшую дисперсию. Условию эффективности будет удовлетворять ряд с наименьшей суммой квадратов остаточных погрешностей.
Очевидно, что в практической метрологии эффективная оценка является предпочтительной. Признак эффективности свидетельствует о том, что субъективная составляющая случайной погрешности минимальна, наблюдения выполнялись более аккуратно и будет обеспечен наименьший размер случайной погрешности.
В теоретической метрологии рассматривается также состоятельная оценка, являющаяся идеальной моделью для многократных измерений, к которой желательно стремиться, но получить ее практически невозможно. При состоятельной оценке истинное и действительное значение совпадают, погрешность равна нулю. Это достигается бесконечным увеличением числа наблюдений. Состоятельной называется оценка, в которой при числе наблюдений, стремящемся к бесконечности, дисперсия стремится к нулю.
Достоверность результата измерения полагается высокой, если близка к единице ( - вероятность , с которой истинное значение физической величины удалено от действительного значения на интервал , не превышающий погрешности). В технических измерениях значение , как правило, принимается равным 0,95. Это говорит о том, что если проводить такие измерения 100 раз, то в 95 случаях истинное значение окажется удалено от действительного значения на интервал , размеры которого не превышают погрешности, а в 5 случаях окажется удалено на интервал , превышающий погрешность . Поэтому в измерениях, имеющих непосредственное влияние на безопасность и здоровье, значение принимается равным 0,99. Такую же вероятность назначают при однократных измерениях. Это объясняется тем, что при прочих равных обстоятельствах (в первую очередь , при одинаковом числе наблюдений), размеры и взаимосвязаны: чем больше , тем больше , следовательно, назначая высокую степень уверенности, мы рассматриваем наихудший вариант контролируемых событий.
Задавая большую степень неопределенности контролируемым посредством измерений событиям, мы получаем большую уверенность в том, что они произойдут.
Существует способ одновременно увеличивать достоверность и уменьшать неопределенность результата измерений, т.е. увеличивать и уменьшать . Этот способ - увеличение числа наблюдений, . Однако дополнительные наблюдения делают более дорогим процесс измерения. В этой связи актуален рассмотренный в первом разделе вопрос корректной записи результатов измерений.
2.5. Прямые равноточные измерения с многократными наблюдениями
Метод прямых равноточных измерений с многократными наблюдениями является основополагающим, используется в технических измерениях для повышения достоверности результата, является основой для многих методов метрологических измерений, для методов косвенных измерений.
Классификация прямых и многократных измерений рассмотрена выше. Требование прямых измерений связано с правилами учета погрешности. Современные средства измерений, как правило, являются сложными устройствами, выполняющими косвенное измерение физических величин. Однако результаты, как правило, рассматриваются как результаты прямых измерений, - поскольку погрешность косвенных измерений внутри средства измерений уже учитывается его классом точности.
Равноточность измерений истолковывается в широком смысле, как одинаковая распределенность (в узком смысле равноточность измерений понимается как одинаковость меры точности всех результатов измерений). Наличие грубых ошибок (промахов) означает нарушение равноточности как в широком, так и в узком смысле.
На практике условие равноточности считается выполненным, если наблюдения производятся одним и тем же оператором, в одинаковых условиях внешней среды, с помощью одного и того же средства измерения. При таких условиях будут получены равнорассеянные ( по -другому, равноточные, от слов равная точность ), т.е. одинаково распределенные случайные величины
Метод прямых равноточных измерений с многократными наблюдениями изложен в ГОСТ 8.207 - 76. В этом разделе дополнительно к ГОСТ 8.207 - 76 приводятся необходимые для выполнения расчетов сведения и комментарии.
Комментарии к ГОСТ 8.207 - 76. Раздел 2 . Результат измерения и оценка его среднего квадратического отклонения
Результат измерения находят как среднее арифметическое результатов наблюдений:
где - число наблюдений.
