Методы измерений и формы представления результатов измерений. Физические основы измерений и контроля качества
Методы измерений
Измерение - получение информации о размере физической или нефизической величины.
При измерениях приходится иметь дело с различными физическими величинами: дискретными и непрерывными, случайными и неслучайными, постоянными и переменными, зависимыми и независимыми.
Метод измерения (по ГОСТу 16263-70) - это совокупность приёмов использования принципов и средств измерений, при которых происходит процесс измерения.
1) По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения методы измерений подразделяются на:
статические, при которых измеряемая величина остается постоянной во времени;
динамические, в процессе которых измеряемая величина изменяется и является непостоянной во времени.
Статическими измерениями являются, например, измерения размеров тела, постоянного давления; динамическими - измерения пульсирующих давлений, вибраций.
2) По способу получения результатов измерений (виду уравнения измерений) методы измерений разделяютна прямые, косвенные, совокупные и совместные.
При прямом измерении искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных, например, измерение угла угломером или измерение диаметра штангенциркулем.
При косвенном измерении искомое значение величины определяют на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям, например, определение среднего диаметра резьбы с помощью трёх проволочек или угла с помощью синусной линейки.
Совместными называют измерения, производимые одновременно (прямые или косвенные) двух или нескольких неодноимённых величин. Целью совместных измерений является нахождение функциональной зависимости между величинами, например, зависимости длины тела от температуры, зависимости электрического сопротивления проводника от давления и т.п.
Совокупные - это такие измерения, в которых значения измеряемых величин находят по данным повторных измерений одной или нескольких одноименных величин при различных сочетаниях мер или этих величин. Результаты совокупных измерений находят путём решения системы уравнений, составляемых по результатам нескольких прямых измерений. Например, совокупными являются измерения, при которых массы отдельных гирь набора находят по известной массе одной из них и по результатам прямых сравнений масс различных сочетаний гирь.
3) По условиям, определяющим точность результата измерения, методы делятся на три класса.
Измерения максимально возможной точности, достижимой 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 и др.).
К этому же классу относятся и некоторые специальные измерения, требующие высокой точности.
Контрольно-поверочные измерения, погрешность которых с определенной вероятностью 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 с погрешностью заранее заданного значения.
Технические измерения, 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.
4) По способу получения значений измеряемых величин различают два основных метода измерений: метод непосредственной оценки и метод сравнения с мерой.
Метод непосредственной оценки - метод измерения, при котором значение величины определяют непосредственно по отсчётному устройству измерительного прибора прямого действия (например, измерение длины с помощью линейки или размеров деталей микрометром, угломером и т.д.).
Метод сравнения с мерой - метод измерения, при котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Например, для измерения диаметра калибра микрокатор устанавливают на нуль по блоку концевых мер длины, а результаты измерения получают по отклонению стрелки микрокатора от нуля, т.е. сравнивается измеряемая величина с размером блока концевых мер. О точности размера судят по отклонению стрелки микрокатора относительно нулевого положения.
Существуют несколько разновидностей метода сравнения:
метод противопоставления, при котором измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения;
дифференциальный метод, при котором измеряемую величину сравнивают с известной величиной, воспроизводимой мерой. Этим методом, например, определяют отклонение контролируемого диаметра детали на оптиметре после его настройки на нуль по блоку концевых мер длины;
нулевой метод, при котором результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля. Подобным методом измеряют электрическое сопротивление по схеме моста с полным его уравновешиванием;
метод совпадений, при котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, определяют, используя сов-падения отметок шкал или периодических сигналов (например, при измерении штангенциркулем используют совпадение отметок основной и нониусной шкал).
5) При измерении линейных величин независимо от рассмотренных методов различают контактный и бесконтактный методы измерений.
6) По способу выражения результатов измерений различают абсолютные и относительные измерения.
Абсолютное измерение основано на прямых измерениях величины и (или) использовании значений физических констант, например, измерение размеров деталей штангенциркулем или микрометром.
При относительных измерениях величину сравнивают с одноименной, играющей роль единицы или принятой за исходную, например, измерение диаметра вращающейся детали по числу оборотов соприкасающегося с ней аттестованного ролика.
7) В зависимости от совокупности измеряемых параметров изделия различают поэлементный и комплексный методы измерения.
Поэлементный метод характеризуется измерением каждого пара-метра изделия в отдельности (например, эксцентриситета, овальности, огранки цилиндрического вала).
Комплексный метод характеризуется измерением суммарного показателя качества, на который оказывают влияние отдельные его составляющие (например, измерение радиального биения цилиндрической детали, на которое влияют эксцентриситет, овальность и др.).
8) 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 основан на использовании данных нескольких специалистов. Широко применяется в квалиметрии, спорте, искусстве, медицине.
Эвристические измерения 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.
Органолептические измерения основаны на использовании органов чувств человека (осязания, обаняния, зрения, слуха и вкуса). Часто используются измерения на основе впечатлений (конкурсы мастеров искусств, соревнования спортсменов).
Формы представления результатов измерения
Погрешность результата прямого однократного измерения зависит от многих факторов, но в первую очередь определяется погрешностью используемых средств измерений. Поэтому в первом приближении погрешность результата измерения можно принять равной
погрешности, которой в данной точке диапазона измерений характеризуется используемое средство измерений.
Погрешности средств измерений изменяются в диапазоне измерений. Поэтому в каждом случае, для каждого измерения необходимо произвести вычисления погрешности результата измерений, используя формулы (3.19) – (3.21) нормирования погрешности соответствующего средства измерений. Вычисляться должна как абсолютная, так и относительная погрешности результата измерения, так как первая из них нужна для округления результата и его правильной записи, а вторая — для однозначной сравнительной характеристики его точности.
Для разных характеристик нормирования погрешностей СИ эти вычисления производятся по-разному, поэтому рассмотрим три характерных случая.
1. Класс прибора указан в виде одного числа q, заключенного в кружок. Тогда относительная погрешность результата (в процентах) = q, а абсолютная его погрешность х = qx/ 100.
2. Класс прибора указан одним числом p (без кружка). Тогда абсолютная погрешность результата измерения х = px k / 100, где x k — предел измерения, на котором оно производилось, а относительная погрешность измерения (в процентах) находится по формуле 
,
т е. в этом случае при измерении, кроме отсчета измеряемой величины х обязательно должен быть зафиксирован и предел измерений x k , иначе впоследствии нельзя будет вычислить погрешность результата.
3. Класс прибора указан двумя числами в виде c/d. В этом случае удобнее вычислить относительную погрешность результата по формуле (3.21), а уже затем найти абсолютную погрешность как x = x/100.
После проведения вычислений погрешности используют одну из форм представления результата измерений в следующем виде: х; и , где х – измеренное значение; – абсолютная погрешность измерения; -относительная погрешность измерения. Например, производится следующая запись: «Измерение произведено с относительной погрешностью = … %. Измеренное значение х = (А ), где А – результат измерений».
Однако более наглядно указать пределы интервала неопределенности измеряемой величины в виде: x = (A-)(A+) или (A-) х (A+) с указанием единиц измерения.
Другая форма представления результата измерения устанавливается в следующем виде: х; от н до в; Р, где х – результат измерения в единицах измеряемой величины; , н, в – соответственно погрешность измерения с нижней и верхней её границами в тех же единицах; Р – вероятность, с которой погрешность измерения находится в этих границах.
ГОСТ 8.011-72 допускает и другие формы представления результатов измерения, отличающиеся от приведенных форм тем, что в них указывают раздельно характеристики систематической и случайной составляющих погрешности измерения. При этом для систематической погрешности указывают её вероятностные характеристики. В этом случае основными характеристиками систематической погрешности являются математическое ожидание М [х с ], среднеквадратическое отклонение [ х с ] и ее доверительный интервал. Выделение систематической и случайной составляющих погрешности целесообразно, если результат измерения будет использован при дальнейшей обработке данных, например, при определении результата косвенных измерений и оценке его точности, при суммировании погрешностей и т. п.
Любая из форм представления результата измерения, предусмотренная ГОСТ 8.011-72, должна содержать необходимые данные, на основании которых может быть определен доверительный интервал для погрешности результата измерения. В общем случае доверительный интервал может быть установлен, если известны вид закона распределения погрешности и основные числовые характеристики этого закона.
Основные определения в области измерений
Физические основы измерений и контроля качества
Измерение является основным направлением метрологической деятельности, лежащим в основе любых процедур контроля или испытаний (рис. 1.1). Исторически первоначально в различных странах мира и областях науки теория и практика измерений развивались обособленно, что привело к существованию множества различных и часто противоречивых терминов и определений в этой области. Чтобы выработать взаимопонимание в области измерений, в 2000 году Межгосударственный совет по метрологии, стандартизации и сертификации стран Содружества Независимых Государств внедрил РМГ 29-99 «Метрология. Основные термины и определения». Этот нормативный документ содержит термины и определения в области метрологической деятельности, рекомендуемые к использованию на территории стран СНГ. Термины и определения, указанные в настоящем учебном пособии, с
Вид измерения – часть области измерений, имеющая свои особенности и отличающаяся однородностью измеряемых величин.
Например, в области электрических и магнитных измерений могут быть выделены такие виды: измерения электрического сопротивления, ЭДС, электрического напряжения, магнитной индукции и т.п.
Область измерения – совокупность измерений физических величин, свойственных какой-либо области науки или техники и выделяющихся своей спецификой.
Выделяют, например, такие области измерений: механические, пневматические, тепловые, электрические, магнитные, химические, акустические, измерения ионизирующих излучений и т.п.
Метод измерения – приём или совокупность приёмов сравнения измеряемой физической величины с её единицей в соответствии с реализованным принципом измерений.
Метод измерения обычно обусловлен устройством средства измерения.
Принцип измерения – физическое явление или эффект, заложенные в основу измерений.
Например, при измерении массы взвешиванием используют явление силы тяжести. При измерении скорости летящих объектов применяют эффект Доплера.
Средство измерения – техническое средство, предназначенное для измерений и имеющее нормированные метрологические характеристики.
Средство измерения может быть предназначено не только для передачи размера единицы физической величины, но и для его хранения.
Основные определения в области контроля
Вид контроля - часть области контроля, имеющая свои особенности и отличающаяся однородностью контролируемых величин.
Например, к видам контроля могут быть отнесены разрушающий и неразрушающий контроль.
Метод контроля - совокупность правил применения принципов для осуществления контроля и средств контроля.
Например, методом контроля может быть контроль по шкале порядка.
Средство контроля - изделия, (контрольные и исполнительные стенды, измерительная и регистрирующая аппаратура) и материалы, применяемые при контроле.
Средства контроля следует отличать от средств измерений. Примером средства контроля может служить калибр-пробка.