Обработка результатов измерения.

В процессе измерительного эксперимента, представленного на рис. 1.2, объект измерения и средство измерения, приводятся во взаимодействие. При этом измеряемая величина, воздействуя на средство измерения, преобразуется в некоторый сигнал, который воспринимает человек или различные технические устройства – потребители измерительной информации.

Рис. 1.2. Схема процесса получения измерения

Этот сигнал функционально связан с измеряемой физической величиной, поэтому его называют сигналом измерительной информации. Наиболее часто в качестве сигналов используют:

Воспринятые сигналы измерительной информации далее могут подвергаться обработке с целью наиболее удобного представления результата измерения. Такая обработка может включать статистическую обработку (при многократных измерениях величины), дополнительные расчеты (при косвенных измерениях), округление и т.п.

Классификация измерений

Измерения весьма разнообразны, и классифицировать их можно по различным признакам, наиболее важные из которых отражены на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Классификация измерений

Во-первых, измерения определяются физическим характером явлений (процессов), в соответствии с которым сложились определенные совокупности физических величин, родственных по природе или применению в отдельных областях науки и техники, – механические, тепловые, физико-химические и другие измерения.

Во-вторых, измерения в зависимости от способа получения результатов измерения подразделяют на прямые и косвенные. Прямые – это измерения, при которых искомое значение физической величины находят непосредственно из опытных данных. При этом объект измерения приводят во взаимодействие со средством измерения и по его показаниям определяют значение измеряемой величины. Примеры прямых измерений: измерение длины линейкой, времени при помощи часов, массы при помощи весов, температуры – термометром, силы тока – амперметром и др. К прямым измерениям относят измерения подавляющего большинства параметров технологических процессов.

Косвенные – это измерения, при которых искомую величину определяют на основании результатов прямых измерений, функционально с ней связанных. Значение величины Q находят путем вычисления по формуле

Q = f (X₁, X₂,…X_m),

где X₁, X₂,…X_m – величины, размер которых определяют из прямых измерений

Примеры косвенных измерений: определение плотности однородного тела по его массе и объему, электрического сопротивления проводника по падению напряжения и силе тока, мощности по силе тока и напряжению.

Косвенные измерения широко распространены в тех случаях, когда искомую величину невозможно или слишком сложно измерить непосредственно или когда прямое измерение дает менее точный результат. Роль их особенно велика при измерении величин, недоступных непосредственному экспериментальному сравнению, например размеров астрономического или внутриатомного порядка.

По метрологическому назначению измерения подразделяют на технические и метрологические. Технические измерения проводятся рабочими средствами измерения с целью определения значения измеряемой величины, а также при ее контроле. Эти измерения являются наиболее распространенными и выполняются во всех отраслях промышленности и науки. Метрологические измерения выполняют при помощи эталонов с целью воспроизведения единиц физических величин и для передачи их размера рабочим средствам измерений (при поверочных и калибровочных работах, осуществляемых метрологическими службами).

По числу измерений, выполненных для получения результата, различают одно- и многократные измерения. Однократным называют измерение, выполненное один раз. Например, измерение времени по часам. Если необходима большая уверенность в получаемом результате, то проводят многократные измерения одной и той же величины, за результат которого обычно принимают среднее арифметическое значение отдельных измерений Обычно для многократных измерений число измерений n ³3.

По зависимости измеряемой величины от времени измерения подразделяют на статические и динамические. При статических измерениях физическая величина принимается за неизменную на протяжении времени измерения (например, измерение длины детали при нормальной температуре). Если размер физической величины изменяется с течением времени, то такие измерения называют динамическими (например, измерение расстояния до поверхности земли со снижающегося самолета).

В зависимости от точности применяемыхсредств измерения и условий измерения их подразделяют на равноточные и неравноточные. Равноточными называют измерения величины, выполненных с одинаковыми по точности средствами измерений в одних и тех же условиях с одинаковой тщательностью. Если измерения были выполнены различающимися по точности средствами измерений и (или) в разных условиях, то их называют неравноточными.

Кроме приведенных на рис. 1.3. признаков классификации измерений для конкретных случаев при необходимости могут быть использованы и другие. Например, измерения можно подразделять в зависимости от места выполнения на лабораторные и промышленные; в зависимости от формы представлении результатов – на абсолютные и относительные.

Приведенные выше измерения можно выполнять различными методами, т.е. способами решения измерительной задачи.

Методы измерений

Метод измерения представляет собой прием или совокупность приемов сравнения измеряемой величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. Под принципом измерений понимают физические эффекты (явления), положенные в основу измерений. Например, измерение температуры с использованием термоэлектрического эффекта. Метод измерений обычно обусловлен устройством СИ.

Для систематизации методов измерений необходимо выделить общие характерные признаки. Одним из таких признаков является наличие или отсутствие при измерении меры. В зависимости от этого различают два метода измерений: метод непосредственной оценки и метод сравнения с мерой (рис. 1.4). Мерой называют СИ, предназначенное для воспроизведения или хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью.

Рис. 1.4. Классификация методов измерений

Наиболее распространен метод непосредственной оценки. Его сущность состоит в том, что значение измеряемой величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора, например измерение напряжения вольтметром, взвешивание груза на пружинных весах (рис. 1.5). При этом массу груза Х определяют на основе измерительного преобразования по значению деформации d пружины.

Рис. 1.5. Схема измерения методом непосредственной оценки

Измерения с помощью метода непосредственной оценки, как правило, просты и не требуют высокой квалификации оператора. Однако точность измерений чаще всего оказывается невысокой из-за воздействия влияющих величин и необходимости градуировки шкал приборов.

Наиболее многочисленной группой приборов, служащих для измерения методом непосредственной оценки, являются показывающие (в т.ч. стрелочные приборы). К ним относят манометры, динамометры, барометры, амперметры, вольтметры, ваттметры, расходомеры, жидкостные термометры и многие другие. Измерения при помощи интегрирующего прибора-счетчика или самопишущего прибора также относят к методу непосредственной оценки.

При проведении более точных измерений предпочтение отдают методу сравнения с мерой, при котором измеряемую величину находят сравнением с величиной, воспроизводимой мерой. Отличительной особенностью этого метода является непосредственное участие меры в процессе измерения.

Методы сравнения в зависимости от наличия или отсутствия при сравнении разности между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, подразделяют на нулевой и дифференциальный. В обоих из этих методов различают методы противопоставления, замещения и совпадения.

Нулевой метод измерений – это метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводят до нуля. В этом случае значение измеряемой величины принимается равным значению меры. Совпадение значений измеряемой величины и меры отмечают при помощи нулевого указателя (нуль-индикатора).

Дифференциальный метод измерений (его также называют разностным) – это метод сравнения с мерой, при котором измеряемая величина сравнивается с мерой, и при этом измеряется разность между этими двумя величинами. Мера должна иметь значение, незначительно отличающееся от значения измеряемой величины. Пример дифференциального метода: измерение сопротивления, индуктивности и емкости при помощи неуравновешенного моста; взвешивание на неравноплечих весах. Применение нулевого указателя в данном методе не требуется.

Метод противопоставления заключается в том, что измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение между этими величинами. Примером нулевого метода противопоставления является взвешивание груза Х на равноплечих весах (рис. 1.6, а), когда измеряемая масса груза Х равна массе гирь, ее уравновешивающих. Состояние равновесия определяют по положению указателя нуль-индикатора (он должен находиться на нулевой отметке). При взвешивании груза в случае дифференциального метода противопоставления масса груза Х уравновешивается массой гири и силой упругой деформации пружины (рис. 1.6, б), значение которой отсчитывают по шкале прибора. Массу груза определяют как сумму массы гири и показаний, отсчитанных по шкале.

а)

б)

Рис. 1.6. Схема измерения методом сравнения с мерой: а – нулевой, б - дифференциальный

Метод противопоставления широко используют для измерения различных физических величин. Как правило, он обеспечивает большую точность измерения, чем метод непосредственной оценки, за счет уменьшения воздействия на результат измерения погрешности средства измерения и влияющих величин.

К разновидностям метода сравнения с мерой относится и метод замещения, широко применяемый в практике точных метрологических исследований. Сущность метода в том, что измеряемую величину замещают мерой с известным значением величины, т.е. измеряемая величина и мера последовательно воздействуют на измерительный прибор. В нулевом методе проводят полное замещение измеряемой величины мерой, и результат измерения принимается равным значению меры. В дифференциальной методе не удается провести полное замещение и к значению меры следует прибавить величину, на которую изменилось показание прибора.

Вследствие того, что измеряемая величина и мера включаются одна за другой в одну и ту же часть измерительной цепи прибора, точность измерений значительно повышается по сравнению с измерениями, проводимыми с помощью других разновидностей метода сравнения, где асимметрия цепей, в которые включаются сравниваемые величины, приводит к возникновению систематических погрешностей.

Метод совпадений представляет собой разновидность метода сравнения с мерой, в котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов. По принципу метода совпадений построен нониус, входящий в состав ряда измерительных приборов (например, штангенциркуля).

Кроме рассмотренных методов измерений различают также контактные и бесконтактные в зависимости от наличия (или отсутствия) непосредственного контакта между чувствительным элементом средства измерения и объектом измерения. Примеры контактного метода – измерение диаметра вала штангенциркулем, измерение температуры тела термометром. Примеры бесконтактного метода – измерение температуры в доменной печи пирометром, измерение расстояния до объекта радиолокатором.

Погрешности измерений

Результат измерений величины зависит от многих факторов: выбора метода и средства измерений, условий его осуществления (например, температуры, давления, влажности окружающей среды), способа обработки результатов измерений, квалификации оператора, выполняющего измерения, и др. Указанные факторы приводят к различию в значении результата измерения величины и ее истинного значения, т.е. к погрешности. Одной из основных задач метрологии является разработка методов определения погрешностей измерений.

В зависимости от степени приближения к объективно существующему значению величины следует различать истинное значение величины и результат ее измерения, а также ее действительное значение.

Истинным значением Х_и величиныназывают значение, идеальным образом характеризующее в качественном и количественном отношении соответствующую физическую величину. Оно может быть получено только в результате бесконечного процесса измерений с бесконечным совершенствованием методов и средств измерений.

Результатом измерения Х_изм называют значение, полученное при ее измерении с применением конкретных методов и средств измерений.

Погрешность результата измерения (или погрешность измерения) D – это отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины, т.е.

D = Х_изм – Х_и.

Но поскольку истинное значение измеряемой величины неизвестно, то точно неизвестны и погрешности измерений, поэтому на практике для определения погрешности используют так называемое действительное значение величины, которым заменяют истинное значение.

Действительное значение Х_двеличины – это значение, полученное экспериментально и настолько близкое к истинному значению, что в поставленной измерительной задаче может быть использовано вместо него. Действительное значение находят более точными методами и средствами измерений. Чем выше точность средства и метода измерений, с помощью которых определено Х_д, тем с большей уверенностью оно рассматривается как близкое к истинному. Поэтому на практике погрешность измерения D (здесь имеется в виду абсолютная погрешность) находят по формуле

D = Х_изм – Х_д

Полностью устранить погрешности невозможно, но можно уменьшить их с помощью методов, рассмотренных ниже.

Точность результата измерения – это одна из важнейших характеристик (показателей) качества измерения, отражающая близость к нулю погрешности результата измерения. Кроме того, показателями качества измерений являются сходимость, воспроизводимость, правильность и достоверность результатов измерений.