Основные характеристики и методы измерений

Основные характеристики и методы измерений

1. Определения и классификация измерений

Измерение — нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Под измерением понимается процесс физического сравнения данной величины с некоторым её значением, принятым за единицу измерения.

Измерение — познавательный процесс, заключающийся в сравнении опытным путём измеряемой величины с некоторым значением, принятым за единицу измерения.

Из определения измерений следуют признаки измерений:

1) измеряются только физические величины, т. е. параметры реальных объектов;

2) измерение требует проведения опытов;

3) для проведения опытов требуются особые технические средства — средства измерений;

4) результатом измерения является значение физической величины.

Основное уравнение измерения имеет следующий вид:

А = а Х, (1)

где, А — измеряемая величина, а — единица измерения; Х — численное значение измеряемой величины при выбранной единице измерения. Из уравнения следуют слагаемые процесса измерения:

1) воспроизведение единицы физической величины в виде меры;

2) преобразование измеряемого сигнала;

3) сравнение измеряемой величины с мерой;

4) фиксация результата измерения.

В зависимости от способа нахождения значения измеряемой величины измерения делят на:

1) прямые;

2) косвенные;

3) совокупные;

4) совместные.

Прямым называется измерение, когда искомое значение физической величины находится непосредственно из опытных данных. Следует отметить, что часто под прямыми понимаются такие измерения, при которых не производится промежуточных преобразований. Это, например, измерение напряжения и силы тока известными электроизмерительными приборами — вольтметрами и амперметрами. Прямые измерения очень распространены в метрологической практике. Математически прямые измерения можно охарактеризовать элементарной формулой

А = х, (2)

где х — значение величины, найденное путём её измерения и называемое результатом измерения.

Косвенным называется измерение, при котором искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. Косвенные измерения можно охарактеризовать следующей формулой:

A = f(x₁, x₂,…, x_m), (3)

где x₁, x₂,…, x_m — результаты прямых измерений величин, связанных известной функциональной зависимостью f с искомым значением измеряемой величины А.

Косвенные измерения характерны для практики измерений в телекоммуникационных системах, например, измерение мощности методом амперметра-вольтметра, определение резонансной частоты колебательного контура по результатам прямых измерений ёмкости и индуктивности контура, определение расстояния до места неоднородности в оптическом кабеле методом обратного рассеяния и т. д.

При совокупных измерениях одновременно измеряют несколько одноимённых величин, а их искомые значения находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин. Например, измерения, при которых размер ёмкости набора конденсаторов находят по известному значению ёмкости одного конденсатора и результатам прямых сравнений размеров ёмкостей различных сочетаний конденсаторов.

Совместные измерения состоят в одновременном измерении двух или нескольких неодноимённых величин для нахождения зависимости между ними.

Пример совместных измерений — определение зависимости сопротивления резистора от температуры.

2. Классификация методов измерения

Существует два основных метода измерения:

1. Метод непосредственной оценки, при котором размер измеряемой величины находится по шкале, по цифровому табло или экрану прибора, например, измерение напряжения вольтметром.

2. Метод сравнения с мерой, при котором значение измеряемой величины сравнивается со значением величины, воспроизводимой мерой. Данный метод имеет следующие разновидности.

1) Метод противопоставления, при котором значение величин измеряемой и воспроизводимой мерой, воздействует на прибор сравнения и с его помощью устанавливается отношение между этими величинами.

2) Дифференциальный (разностный) метод, при нём измеряемая величина определяется по разности между искомой величиной и величиной, воспроизводимой меры.

3) Нулевой метод — частный случай дифференциального, когда разность доводят до нуля.

4) Метод замещения — измеряемую величину замещают равной ей по величине мерой.

5) Метод совпадений — значение измеряемой величины определяют по совпадению сигналов, отметок или других признаков, относящихся к измеряемой и известной величинам.

Метод замещения и нулевой метод требуют применения многозначной меры.

Указанная классификация методов измерения иллюстрируется на рис. 1.

Рисунок 1

3. Основные характеристики измерений

Основными характеристиками измерений являются: результат и погрешность.

Результат измерений физической величины (кратко — результат измерения или, просто результат) — значение физической величины, полученное путем ее измерения.

Часто в полученный результат вносят поправки.

Поправка (англ. Correction) — значение физической величины, одноименной с измеряемой, которая вводится в результат измерения для исключения определенных, так называемых систематических составляющих погрешности (см. гл. 2), что находит отражение в терминологии:

§ неисправленный результат измерения — измеренное значение физической величины, полученное до внесения поправок;

§ исправленный результат измерения — измеренное значение физической величины и уточненное путем внесения в него необходимых поправок;

Погрешность средства измерения — разность между показаниями средства измерения и истинным значением измеряемой физической величины.

Качество измерений характеризуется точностью, правильностью, сходимостью и воспроизводимостью, достоверностью, а также размером допускаемых погрешностей. Качество измерений — совокупность свойств, обусловливающих получение результатов с требуемыми точностными характеристиками, в необходимом виде и установленные сроки.

Точность результата измерений — одна из характеристик качества измерений, отражающая близость к нулю погрешности результата измерения. Высокая точность измерения соответствует малым погрешностям. Количественно точность оценивают обратной величиной модуля относительной погрешности, например, если относительная погрешность составляет 0,01, то точность равна 100.

Правильность измерений — характеристика, отражающая близость к нулю систематических погрешностей результатов измерений.

Сходимость результатов измерений — близость друг к другу результатов измерений одной и той же величины, выполненных повторно одними и теми же средствами, одним и тем же методом, в одинаковых условиях и с одинаковой тщательностью.

Воспроизводимость — близость результатов измерений одной и той же физической 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.).

Достоверность — характеристика качества измерений, отражающая доверие к их результатам, которая определяется доверительной вероятностью б того, что истинное значение измеряемой величины А находится в некотором заданном интервале. Подобный интервал называют доверительным и между его границами с заданной доверительной вероятностью

измерение познавательный опытный

(3)

находится истинное значение А оцениваемого параметра. В (3) параметр q — уровень значимости ошибки (см. гл. 2); , — нижняя и верхняя границы доверительного интервала.

1. Лифиц И. М. Основы стандартизации, метрологии, сертификации. — М.: Юрайт, 2011.

2. Сергеев А. Г., Латышев М. В., Терегеря В. В. Метрология. Стандартизация. Сертификация. — М.: Логос, 2013.

3. Крылова Г. Д. Основы стандартизации, сертификации, метрологии. — М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2013.

4. Лифиц И. М. Стандартизация, метрология, сертификация. — М.: Юрайт, 2013.

5. Басаков М. И. Сертификация продукции и услуг с основами стандартизации и метрологии. — Ростов-на-Дону, 2012.