Материал: Метроплогия. учебное пособие. Савельева Е.Л., Ситников Н.В

Например, при “нулевом” методе сравнения с помощью компаратора оператор фиксирует момент совпадения значения измеряемой величины (Х) и значения меры (Х0), при этом мера должна быть регулируемой. Результат измерения снимается с меры, так как X=X0. Так измеряют массу на рычажных весах с помощью набора гирь, то есть процедура взвешивания товара на весах есть процедура измерения массы этого товара.

Таким образом обязательными элементами измерительных процедур или структурных схем измерительных приборов, работающих на методах сравнения, являются мера и компаратор.

Измерение в принципе невозможно без меры.

1.3.СПОСОБЫ ЧИСЛОВОГО ВЫРАЖЕНИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ И ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ

Для характеристики точности измерений пользуются понятием погрешности измерений. Поэтому очевидно, что чем меньше погрешность, тем измерение точнее. Практика измерений показывает, что избежать погрешностей невозможно. Поэтому в основе метрологии лежит тезис о неизбежности погрешности измерений.

Теория измерений опирается на следующие постулаты:

– существует истинное значение измеряемой величины;

– истинное значение измеряемой величины определить невозможно;

– истинное значение измеряемой величины постоянно.

Истинное значение физической величины – это значение физической величины, которое идеальным образом отражало бы в качественном отношении соответствующее свойство объекта.

Поэтому в результате измерений можно произвести только оценку степени приближения результата к истинному значению.

Важно заметить, что процесс оценки точности или погрешности зачастую оказывается значительно сложнее самих измерений, так как погрешность так же, как и результат, требуется оценивать количественно, а средств нет.

Действительно, недостаточно просто констатировать существование погрешностей или перечислить их, надо их представить в определенном числовом виде. Поэтому первоначальной задачей любого измерения является оценка его погрешности путем обработки результатов измерения Х.

Погрешностью измерения называют отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой физической величины.

Однако, поскольку истинное значение всегда неизвестно, если же его можно считать известным, то измерение не нужно, то практически можно найти лишь “приближенную” погрешность, то есть найти оценку погрешности измерения Х.

Для оценки погрешности измерения на практике пользуются действительным значением физической величины.

16

За действительное значение XД обычно принимают показание меры или образцового прибора, которое приближает значение физической величины к ее

измеряемая величина (Xi). Однако, ее значение во многих случаях не дает правильного представления о качестве измерения.

Для оценки качества измерения удобно пользоваться относительной

Относительную погрешность принято выражать в процентах.

Таким образом по форме выражения погрешностей измерений различают погрешности и .

Относительная погрешность особенно удобна для сравнения качества измерений различных физических величин и погрешностей измерительных приборов, предназначенных для измерения различных физических величин.

Однако, основной задачей при вычислении относительной погрешности, является нахождение абсолютной.

Кроме этого, что не менее важно, для вычисления относительной погрешности по формуле (1.2) необходимо знать и действительное значение измеряемой физической величины, которое известно только при поверочных измерениях или при передаче размеров единиц физических величин от эталонов образцовым СИ, то есть при так называемых метрологических измерениях.

При технических измерениях ни действительное, ни тем более истинное значение физической величины неизвестно. Поэтому приходится относительную погрешность измерения оценивать с использованием косвенных данных. Например, пользуются отношением

наблюдения Xi.

Таким образом при обычных рабочих измерениях и при известной абсолютной погрешности (формула 1.1) можно вычислить только оценку относительной погрешности единичного наблюдения i по формуле (1.3).

Если погрешности измерений характеризуют их несовершенство, то позитивной характеристикой измерений является их точность. Поэтому не следует отождествлять эти противоположные понятия. Это то же самое, что приравнять сопротивление проводимости.

17

Из ряда показателей качества различных технических изделий, таких как, надежность, долговечность, экономичность и др. – для измерительных средств важнейшим является показатель точности.

Материальной основой, обеспечивающей требуемую точность измерений, выполняемых во всех сферах деятельности человека, служат эталоны и образцовые СИ.

Однако точность измерения должна соответствовать цели измерения. Излишняя точность ведет к неоправданному расходу средств и времени на постановку точных измерений. Недостаточная точность измерения может привести к признанию, например при контроле, годным в действительности негодное изделие.

Количественно точность вычисляется как обратно пропорциональная величина модулю относительной погрешности:

1 .

Здесь / д – модуль относительной погрешности, то есть отношение

абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой величины, не выраженное в процентах

1.4. КЛАССИФИКАЦИЯ ИЗМЕРЕНИЙ, МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

ГРУППЫ ТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

Измерительные процедуры (измерения) классифицируются по различным признакам. В зависимости от требуемой точности, все измерения делятся на следующие виды:

-метрологические;

-контрольно-поверочные;

-технические.

Метрологические измерения разрабатываются и производятся с целью получения максимально возможной, при существующем уровне развития науки

итехники, точности. Примерами могут служить измерение физических констант, все эталонные измерения по сличению, например, государственных эталонов с международными, специальные измерения, требующие наивысшей точности.

Контрольно-поверочные измерения – измерения, погрешности которых должны быть не более заданных величин. Их выполняют при периодических поверках средств измерений, а также после их ремонта, при серийном выпуске

ипри разработке новых средств и методик измерения.

Технические измерения – измерения, при которых погрешность результата определяется характеристиками технических измерительных средств. Это самые распространенные, массовые измерения, выполняемые при

18

научных исследованиях и на производстве во всех областях деятельности человека.

В данном пособии ограничимся рассмотрением только технических измерений и не будем касаться вопросов контрольно-поверочных, а тем более метрологических измерений, которыми пользуются метрологические службы предприятий, региональные лаборатории и научно-технические объединения Комитета по стандартизации, метрологии и сертификации РФ.

ГРУППЫ ТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

1. В зависимости от объема априорных сведений об объекте, все измерения можно объединить в две группы.

Группа 1. Измерения параметров объектов или процессов, модели которых известны. То есть объектов, описанных с физической и технической точек зрения, но с неизвестными количественными данными совокупности параметров. Например, известно, что напряжение в сети можно представить в виде

u(t) = Umsin( t + ).

В этом случае конечной целью измерения является – получение количественных значений параметров U, Uср, Um, , или одного из них.

Группа 2. Измерения параметров объектов или процессов, физические и технические свойства которые известны лишь приближенно. В этих ситуациях целью измерения является уточнение модели объекта по полученным количественным данным о некоторой совокупности параметров. Например, неизвестна форма переменного напряжения (sin или не sin). В этом случае для уточнения формы этого напряжения (модели объекта) необходимо измерить действующее значение напряжения U и его среднее значение Uср и вычислить коэффициент формы Кф=U/Uср (он должен быть равен 1,11 для синусоиды, если Кф 1,11, то напряжение несинусоидально). Такие измерения более сложны и трудоемки и предъявляют соответствующие требования к квалификации оператора и к качеству СИ.

2. По способу использования измерительной информации во времени

измерения делятся на две группы:

-измерения с реализацией результатов в реальном масштабе времени;

-измерения с использованием полученной информации с задержкой во времени с целью, например, ее накопления для дальнейшей обработки.

Впервом случае в качестве определяющих оказываются следующие характеристики измерения: быстродействие и оптимальная организация ввода измерительной информации в устройства ее обработки. Примерами могут служить все измерения в системах автоматического регулирования и управления.

19

Во втором случае требуется организация накопления и хранения измерительной информации. Например, при исследованиях и испытаниях проектируемых или серийно выпускаемых изделий.

3. В зависимости от режима работы измерительных средств во времени, различают статические и динамические измерения.

Кстатическим измерениям относят измерения, при которых измеряются постоянные, установившиеся или усредненные во времени значения физических величин, и СИ работают со значительным временем усреднения, то есть – в статическом режиме.

Кдинамическим измерениям относятся такие, при которых измеряются “мгновенные” значения физических величин и СИ работает в динамическом режиме, то есть с малым временем измерения (усреднения), значительно меньшим времени заметного изменения сигнала.

Кстатическим измерения, например, относятся измерения средних или действующих значений переменных величин (токов, напряжений и т. д.).

Типичным примером динамических измерений является регистрация (запись) изменения величины во времени на носитель информации. При этом возникают так называемые динамические погрешности (амплитудная и фазная), искажающие представление о действительном характере изучаемого процесса.

4.В зависимости от степени воздействия случайных факторов на измеряемые параметры или на показания СИ, измерения выполняются однократно или многократно.

Измерения, выполненные с однократными наблюдениями, называются единичными или обыкновенными.

Измерения, выполняемые с многократными наблюдениями, часто называют статистическими.

Необходимость выполнения однократных и многократных измерений определяются характером сигнала или величиной случайной составляющей погрешности СИ.

Однократные измерения можно применять только в случае, когда сигнал является детерминированным и на показание прибора не оказывают заметного воздействия случайные факторы. При этом повторение измерений приводит к одному и тому же результату.

Статистические измерения выполняются, когда показания прибора изменяются случайным образом, вследствие случайных погрешностей средств измерений или нестабильности параметров объекта. Эти измерения требуют математической обработки результатов наблюдений. Кстати, следует различать нестабильность показаний прибора и нестабильность параметров изучаемых объектов.

5.По виду уравнения измерения все технические измерения делятся на следующие группы:

-прямые;

-косвенные;

20