Измерение и его виды

Измерение — это процесс нахождения значения физической величины опытным путём с помощью специальных технических средств.

Метрологическая суть измерения сводится к основному уравнению измерения (основному уравнению метрологии).

где X — измеряемая величина; [х] - единица величины; п — число.

Необходимо помнить, что любое измерение как познавательный процесс заключается в сравнении путём физического эксперимента данной величины с её значением, принятым за единицу сравнения, т. е. с мерой.

Измерение физической величины есть совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с её единицей и получение значения этой величины.

В простейшем случае, прикладывая линейку с делениями к какой-либо детали, по сути сравнивают сё размер с единицей, хранимой линейкой, и, произведя отсчёт, получают значение величины (длины, высоты, толщины и других параметров детали).

С помощью измерительного прибора сравнивают размер величины, преобразованной в перемещение указателя, с единицей, хранимой шкалой этого прибора, и производят отсчёт.

Приведённое определение понятия «измерение» удовлетворяет общему уравнению измерений, что имеет существенное значение при упорядочении системы понятий в метрологии. В определении учтена техническая сторона (совокупность операций), раскрыта метрологическая суть измерений (сравнение с единицей) и показан гносеологический (от грсч. yvoaia — познание и …логия) аспект (получение значения величины).

В тех случаях, когда невозможно выполнить измерение (нс выделена величина как физическая и не определена единица измерений этой величины) практикуется оценивание таких величин по условным шкалам.

Результат измерения физической величины — значение величины, полученное путём сё измерения.

В основе любых измерений лежат различные физические явления, определяющие принцип измерения.

Принцип (от лат. principium — начало, основа) измерений — физическое явление или эффект, положенное в основу измерений. Например, применение эффекта Доплера для измерения скорости.

Метод (от грсч. цетцобост — исследование) измерений — приём или совокупность приёмов сравнения измеряемой физической величины с её единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. Метод измерений обычно обусловлен устройством средства измерений.

Современные средства измерений основаны на самых разных принципах действия — как широко известных, так и сравнительно недавно освоенных. При этом новые эффекты используются нс как альтернатива традиционным, а как дополнение к ним. Это объясняется тем, что средства измерений, основанные на традиционных принципах действия, благодаря внедрению достижений микроэлектроники получают дальнейшее развитие вплоть до радикального улучшения технико-эксплуатационных характеристик.

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

На рис. 1.2 показана классификация видов измерений.

Методика выполнения измерений (МВИ) — установленная совокупность операций и правил при измерении, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с гарантированной точностью в соответствии с принятым методом. Обычно методика измерений регламентируется каким-либо нормативно-техническим документом.

Рис. 1.2. Классификация видов измерений.

Нормативно-техническая документация (НТД) — это документация, устанавливающая требования к объектам стандартизации, обязательная для исполнения в определённых областях деятельности, разработанная в установленном порядке и утверждённая компетентным органом. Основные виды научнотехнической документации — это технические регламенты (франц. reglement, от regie — правило), стандарты и технические условия.

Конкретные методы измерений определяются видом измеряемых величин, их величиной, требуемой точностью измерений, быстротой измерения, условиями, при которых проводят измерения, и рядом других причин. В принципе каждую физическую величину можно измерить несколькими методами, которые могут отличаться друг от друга теми или иными техническими и метрологическими особенностями. Что касается технологических измерений, то существует множество методов измерений, и по мере развития науки и техники число их будет только увеличиваться.

По способу получения численного значения измеряемой величины выделяют измерения: прямые, косвенные, совокупные и совместные.

Прямое измерение — измерение, при котором искомое значение физической величины получают непосредственно (измерение температуры термометром, длины — линейкой).

Термин «прямое измерение» возник как противоположный термину «косвенное измерение». Строго говоря, измерение всегда является прямым и рассматривается как сравнение величины с её единицей. В этом случае лучше применять термин «прямой метод измерений». В качестве примера можно привести измерение длины рулеткой, силы тока — амперметром, массы на весах.

Прямые измерения проводят следующими основными методами: непосредственной оценки, сравнения с мерой, нулевым, замещением, дополнением и дифференциальным.

Метод непосредственной оценки — метод измерений, при котором значение величины определяют непосредственно, но показывающему средству измерений.

Метод сравнения с мерой — метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Например, измерение массы на рычажных весах с уравновешиванием гирями или измерение напряжения постоянного тока сравнением с известной эдс нормального элемента. Быстрота процесса измерения этим методом делает его часто незаменимым для практического использования, хотя точность измерения обычно ограничена.

Нулевой (от лат. nullus — никакой) метод измерений — метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводят до нуля. Например, измерение электрического сопротивления мостом с полным его уравновешиванием. Этот метод обеспечивает наибольшую точность измерений физической величины.

Метод измерений замещением — метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают мерой с известным значением величины. Например, взвешиванием с поочерёдным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашу весов (метод Борда, J.S. Borda — французский физик и геодезист, 1733- 1799).

Метод измерений дополнением — метод сравнения с мерой, в котором значение измеряемой величины дополняется мерой этой же величины с таким расчётом, чтобы на прибор сравнения воздействовала их сумма, равная заранее заданному значению.

Дифференциальный (от лат. differentia — разность) метод измерений — метод измерений, при котором измеряемая величина сравнивается с однородной величиной, имеющей известное значение, незначительно отличающееся от значения измеряемой величины, и при котором измеряется разность между этими двумя величинами. Это, например, измерения, выполняемые при поверке мер длины сравнением с эталонной мерой на компараторе.

Косвенное измерение — определение искомого значения физической величины на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной. Например, определение плотности р тела цилиндрической формы по результатам прямых измерений массы т, высоты h и диаметра D, связанных с плотностью уравнением.

Совокупные измерения — это проводимые одновременно измерения нескольких одноимённых величин, при которых искомые значения величин определяют путём решения системы уравнений, получаемых при измерениях этой величины в различных сочетаниях. При этом надо учесть, что для определения значений искомых величин число уравнений должно быть не меньше числа этих величин. Например, значение массы отдельных гирь набора определяют по известному значению массы одной из гирь и по результатам измерений (сравнений) масс различных сочетаний гирь.

Совместные измерения — это проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноимённых величин для определения зависимости между ними. Как видно из приведённых определений, совокупные и совместные измерения весьма близки друг к другу. Отличие состоит в том, что при совокупных измерениях одновременно определяют несколько одноимённых величин, а при совместных — разноимённых.

Наиболее известный пример совместных измерений — определение зависимости сопротивления резистора от температуры:

где R20 - сопротивление резистора при t = 20 °C; a, fi — температурные коэффициенты.

Для определения величин R_2f), а и /? вначале измеряют сопротивление R, резистора при трёх разных температурах t_h Ь, t₃, а затем составляют и решают систему из трёх уравнений, по которой находят значения R₂o, а и /?:

Совокупные и совместные измерения применяют, как правило, в научно-исследовательской практике.

Нетрадиционные методы измерений используют в случаях, когда приходится применять уникальные наблюдения за неизвестной величиной, которая «существует» до некоторого времени только в теоретических расчетах. Такие методы чаще всего соответствуют физико-химическим исследованиям со скоротечными процессами реакций (явлений). Например, процессы взаимодействия элементарных частиц в ядерной реакции составляют около 10 ²² с, когда использовать традиционные методы измерения уже практически невозможно. То же можно сказать о возможности измерения массы элементарных частиц. Сейчас известно, что масса покоя электрона составляет 9,1 093 897−10 ³¹ г.

Измерения могут быть однои многократные, статические и динамические, контактные и бесконтактные, абсолютные и относительные, равнои неравноточные и др.

Однократное измерение — это измерение, выполненное один раз. На практике большинство измерений являются однократными. Например, измерение конкретного момента времени по часам обычно производят один раз. Но при этом надо иметь ввиду, что весьма велика возможность грубой ошибки — промаха. Во многих случаях рекомендуется выполнить нс менее двухтрёх измерений, памятуя известный принцип «семь раз отмерь, один раз отрежь».

Многократное измерение — измерение физической величины одного и того же размера, результат которого получен из нескольких следующих друг за другом измерений, т. е. состоящее из ряда однократных измерений. Его проводят для уменьшения влияния случайной составляющей погрешности измерения.

Статическое (от греч. отселке) измерение — измерение физической величины, принимаемой в соответствии с конкретной измерительной задачей за неизменную на протяжении времени измерения.

Динамическое (от греч. Sivapio — сила) измерение — это измерение изменяющейся по размеру физической величины. Термин «динамическое» относится к измеряемой величине. Строго говоря, все физические величины подвержены тем или иным изменениям во времени. В этом убеждает применение всё более и более чувствительных средств измерений, которые дают возможность обнаруживать изменение величин, ранее считавшихся постоянными, поэтому разделение измерений на динамические и статические является достаточно условным.

Кон тактный (от лат. contactus — прикосновение) метод измерений — метод измерений, основанный на том, что чувствительный элемент прибора приводится в контакт с объектом измерения. Примером может служить измерение температуры термометром.

Бесконтактный метод измерений — метод измерений, основанный на том, что чувствительный элемент средства измерений не приводится в контакт с объектом измерения. Например, измерение температуры пирометром.

Абсолютное (от лат. absolutus — безусловный, неограниченный) измерение — измерение, основанное на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значений физических констант (от лаг. constans — постоянный). Измерение силы F = mg основано на измерении основной величины — массы т и использовании физической постоянной g. Понятие «абсолютное измерение» применяется как противоположное понятию «относительное измерение» и рассматривается как измерение величины в её единицах.

Относительное измерение — измерение отношения величины к одноимённой величине, играющей роль единицы, или измерение изменения величины по отношению к одноимённой, принимаемой за исходную. Примером может служить измерение активности радионуклида в источнике по отношению к активности радионуклида в однотипном источнике, аттестованном в качестве эталонной меры активности.

Равноточные измерения — ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности средствами измерений в одних и тех же условиях с одинаковой тщательностью.

Неравноточные измерении — ряд измерений какой-либо величины, выполненных различающимися по точности средствами измерений и (или) в разных условиях.

Кроме того, различают технические и технологические измерения, контроль.

Технические измерения — это измерение количественных и качественных характеристик свойств продукции (линейных и угловых размеров, массы, шероховатости и т. п.).

Технологические (от греч. Te%r|ve — искусство, мастерство, умение и. .логия) измерения — измерение режимов, характеристик и параметров технологического процесса (уровня, температуры, давления, расхода, плотности, состава среды и т. п.).

Уже говорилось о том, что измерения — основной познавательный процесс науки и техники, с помощью которого значения неизвестных величин становятся известными путём сравнения с однородными, известными значениями величин. Вместе с тем измерения параметров тех или иных объектов почти никогда не носили чисто информационный характер, они всегда служили целям развития (уточнения) знаний об объектах наблюдений, управления процессами, системами, качеством продукции.

Контроль — операция, заключающаяся в определении соответствия измеряемых величин допускам, установленным на их значения для обеспечения нормального функционирования технического объекта или процесса.

Суть контроля сводится к осуществлению двух основных этапов:

• 1. Получение информации о фактическом состоянии некоторого объекта, о признаках и показателях его свойств. Эту информацию можно назвать первичной.
• 2. Сопоставление первичной информации с заранее установленными требованиями, нормами, критериями, т. е. обнаружение соответствия или несоответствия фактических данных требуемым. Информацию о рассогласовании (согласовании) фактических и требуемых данных можно назвать вторичной.

Таким образом, первый этап контроля — это измерение параметров объекта, а второй — логическая операция, но сопоставлению результатов измерения и требуемых характеристик.

Технический контроль — это проверка соответствия объекта установленным техническим требованиям.

По влиянию на объект контроля, в результате которого объект (продукция) может сохранить свои свойства или необратимо изменить их, его деляг на неразрушающий и разрушающий.

Неразрушающий контроль — это такой вид контроля, после которого продукция может быть использована по прямому назначению.

Неразрушающие методы позволяют вести сплошной контроль. Необходимость перехода от выборочного контроля к сплошному возрастает с усложнением контролируемой продукции. Из всех известных методов контроля качества наибольшими функциональными возможностями обладают физические методы перазрушающего контроля, которые в настоящее время являются самой массовой технологической операцией.

В соответствии с ГОСТ 18 353–79 различают следующие методы неразрушающего контроля:

• 1. Капиллярный метод основан на капиллярном проникновении в полость дефекта индикаторной жидкости (керосин, скипидар и др.), хорошо смачивающей материал объекта, что позволяет выявить поверхностные дефекты.
• 2. Методы течеискания используют для выявления только сквозных дефектов в изделиях и перегородках.
• 3. Акустический метод основан на регистрации параметров упругих волн, возникающих и (или) возбуждаемых в объекте контроля.
• 4. При магнитном методе анализируют взаимодействие магнитного поля с контролируемым объектом.
• 5. Электрический метод основан на регистрации параметров электрического поля, взаимодействующего с контролируемым объектом (собственно электрический метод), или поля, возникающего в объекте контроля в результате внешнего взаимодействия (термоэлектрический и трибоэлектрический методы).
• 6. Вихретоковый метод реализован на основе анализа взаимодействия электромагнитного ноля вихретокового преобразователя с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых в контролируемом объекте.
• 7. Радиоволновой метод использует регис трацию изменений параметров электромагнитных волн радиодиапазона, взаимодействующих с объектом контроля.
• 8. Тепловой метод контроля основан на регистрации изменений тепловых или температурных полей контролируемых объектов.
• 9. При оптическом методе неразрушающего контроля наблюдают или регистрируют параметры оптического излучения, взаимодействующего с объектом контроля.
• 10. Радиационный метод контроля основан на регистрации и анализе проникающего ионизирующего излучения после взаимодействия его с объектом контроля.

Испытании — это экспериментальное определение количественных и (или) качественных характеристик свойств объекта испытаний как результат воздействия на него, при его функционировании, при моделировании объекта и (или) воздействий. Основная цель испытаний — объективная оценка качества продукции.

Продукция — это результат труда, полученный в определённом месте за определённое время и предназначенный для использования потребителями в целях удовлетворения их материальных или духовных потребностей.

В соответствии с ГОСТ 15 895–77 промышленную продукцию разделяют на изделия и продукт. Изделия — это промышленная продукция, количество которой может быть охарактеризовано дискретной величиной, исчисляемой в штуках или экземплярах. Промышленную нештучную продукцию, а также штучную сельскохозяйственную продукцию относят к продуктам. Так, металлические шары — это изделия, а арбузы — это продукт; генераторы электроэнергии — изделия, а генерируемая ими энергия — продукт.

Любой продукции присущи объективные свойства, особенности, проявляющиеся при её создании, эксплуатации или потреблении. Совокупность свойств продукции, определяющих её пригодность удовлетворять определённые потребности в соответствии с её назначением, называют качеством продукции (ГОСТ 15 467−79). Количественная сторона качества продукции выражается через её свойства. Показатель качества продукции — это количественная характеристика одного или нескольких свойств продукции, рассматриваемая применительно к условиям её создания или потребления.

Показатели качества продукции подразделяют на следующие:

• — единичные, характеризующие одно свойство;
• — комплексные, характеризующие несколько свойств;
• — определяющие, по которым принимают решение по оценке сё качества;
• — интегральные, характеризующие экономический эффект от эксплуатации или потребления продукта.

Регулирование (от лат. regulo — устраиваю, привожу в порядок) — это автоматическое поддержание постоянства или изменение по требуемому закону некоторой физической величины, характеризующей управляемый процесс.

Управление — это целенаправленное изменение состояния или параметров машины, объекта, системы, процесса в соответствии с требуемым алгоритмом функционирования.

Автоматическое (от греч. аитост — сам), без участия человека, управление включает в себя следующие операции:

• — измерение параметров процесса (объекта);
• — принятие решения (управляющего воздействия) вычислительной машиной;
• — выполнение, реализация принятого решения исполнительным механизмом, воздействующим на процесс, объект.