Методы измерений и погрешности измерений

Метод измерений — прием или совокупность приемов сравнения измеряемой величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений.

По общим приемам получения результатов измерений различают: 1) прямой метод измерений; 2) косвенный метод измерений. Первый реализуется при прямом измерении, второй — при косвенном измерении.

В соответствии с РМГ 29-99, к числу основных методов измерений относят метод непосредственной оценки и методы сравнения: дифференциальный, нулевой, замещения и совпадений.

Непосредственный метод — метод измерений, в котором значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия, например измерения силы тока амперметром.

Методы сравнения с мерой — методы, при которых измеряемая величина сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой:

• дифференциальный метод характеризуется измерением разности между измеряемой величиной и известной величиной, воспроизводимой мерой. Примером дифференциального метода может служить измерение вольтметром разности двух напряжений, из которых одно известно с большой точностью, а другое представляет собой искомую величину;
• нулевой метод — при котором разность между измеряемой величиной и мерой сводится к нулю. При этом нулевой метод имеет то преимущество, что мера может быть во много раз меньше измеряемой величины, например измерительный мост;
• метод замещения — метод сравнения с мерой, в котором измеренную величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой. Метод замещения применяется при измерении сопротивления с поочередным замещением его из магазина сопротивлений;
• метод совпадений — метод сравнения с мерой, в котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов. Примером использования данного метода может служить измерение частоты наблюдением при помощи осциллографа фигур Лиссажу.

Погрешности измерений. Процесс измерения неизбежно сопровождается ошибками, которые вызываются несовершенством измерительных средств, нестабильностью условий проведения измерений, несовершенством самого метода и методики измерений, недостаточным опытом и несовершенством органов чувств человека, выполняющего измерения, а также другими факторами.

Погрешность измерения, выраженная в единицах измеряемой величины, называется абсолютной. Она не всегда является информативной. Например, абсолютная погрешность 0,01 мм может быть достаточно большой при измерениях величин в десятые доли миллиметра и малой при измерениях величин, размеры которых превышают несколько метров.

Более информативной величиной является относительная погрешность, под которой понимают отношение абсолютной погрешности измерения к ее истинному значению (или математическому ожиданию).

Именно относительная погрешность используется для характеристики точности измерения.

По своему характеру (закономерностям проявления) погрешности измерения подразделяются на систематические, случайные и грубые промахи.

К систематическим погрешностям измерений относят погрешности, которые при повторных измерениях остаются постоянными или изменяются по какому-либо закону.

Систематические погрешности измерения при измерении одним и тем же методом и одними и теми же измерительными средствами всегда имеют постоянные значения. К причинам, вызывающим их появление, относят:

• погрешности метода или теоретические погрешности;
• инструментальные погрешности;
• погрешности, вызванные воздействием окружающей среды и условий измерения.

Случайные погрешности измерений – это погрешности, принимающие при повторных измерениях различные, независимые по знаку и величине значения, не подчиняющиеся какой-либо закономерности.

Влияние случайных погрешностей измерений выражается в разбросе полученных результатов относительно математического ожидания, поэтому количественно наличие случайных погрешностей хорошо оценивается среднеквадратическим отклонением (СКО).

Случайные погрешности измерений, не изменяя точности результата измерений, тем не менее, оказывают влияние на его достоверность.

При этом дисперсия среднего арифметического ряда измерений всегда имеет меньшую погрешность, чем погрешность каждого определенного измерения. Если необходимо повысить точность результата (при исключенной систематической погрешности) в 2 раза, то количество измерений надо увеличить в 4 раза.

Грубые погрешности измерений (промахи) — это погрешности, приводящие к явным искажениям результатов измерения.

При оценке грубых промахов прибегают к обычным методам проверки статистических гипотез.

Средство измерений (СИ) - техническое средство, (или их комплекс), предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу ФВ, размер которой принимается неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени [2, 13].

Различают тип и вид средств измерений.

Тип СИ - совокупность средств измерений одного и того же назначения, основанных на одном и том же принципе действия, имею­щих одинаковую конструкцию и изготовленных по одной и той же технической документации и технологии. СИ одного типа могут иметь различные модификации, например, отличаться по диапазону измерений. Например: микрометры на различные размеры: 0...25 мм;.25...50 мм; 50...75 мм и т.д.).

Вид СИ - совокупность СИ, предна­значенных для измерений данного вида физической величины. Вид СИ может включать несколько их типов. Например, штангенциркуль и микрометры (вообще) являются видами СИ длин.

По конструктивному исполнению СИ подразделяются на меры, измерительные приборы, измерительные установки, измерительные системы.

Мера физической величины - средство измерений, предназна­ченное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью; т.е. мера выступает в качестве носителя единицы физической величины и служит основой для измерений.

Меры подразделяются на однозначные, многозначные, наборы мер, мага­зины мер, установочные. Примеры мер:

1. Плоскопараллельная концевая мера длины 100 мм или 20 мм - одно­значная мера, воспроизводящая ФВ одного размера.

2. Штриховая мера длины (линейка, штангенциркуль) - многозначная мера, воспроизводящая ФВ разных размеров.

3. Набор мер - комплект мер разного размера одной и той же ФВ, предназначенных для применения на практике, как в отдельности, так и в различных соче­таниях (набор концевых мер длины, набор гирь).

Измерительный прибор - средство измерений, предназначен­ное для получения значений измеряемой ФВ в установлен­ном диапазоне. Содержит устройства для преобразования измеряемой величины в сигнал измерительной информации и его индикации в форме, доступной для восприятия. Измерительные приборы по степени индикации значений измеряе­мой величины разделяются на показывающие и регистрирующие. По действию измерительные приборы разделяются на интегрирующие и сумми­рующие. Различают также приборы прямого действия и приборы срав­нения.

По метрологическому назначению СИ подразделяются на рабочие и метрологические.

Рабочее средство измерений - СИ, предназначенное для измерений, не связан­ных с передачей размера единицы другим средствам измерений, т.е. непосредст­венно использующееся в производственной деятельности, где необходимо по­лучить значение той или иной физической величины. Например, нутромер - для измерения диаметров отверстий.

Метрологическое средство измерений - СИ, предназначенное для метрологических целей: воспроизведения единиц и (или) ее хранения или передачи размера единицы рабочим СИ. К метрологическим СИ относятся эталоны, поверочные установки, средства сравнения (компараторы и др.), стандартные образцы состава и свойств веществ и материалов.

Эталон единицы величины - СИ, предназна­ченное для воспроизведения и (или) хранения единицы величины (или кратных, или дольных значений единицы величины) и передачиее размера нижестоящим по поверочной схеме другим СИ данной величины и утвержденное в качестве эталона в установленном порядке.

Эталоны являются высшим звеном в метрологической цепи передачи размеров единиц измерений.

По применению различают следующие виды эталонов: международный, государственный (национальный), первичный, вторичный, эталон сравнения, рабочий разрядный эталон.

По уровню применения СИ делятся на:

- универсальные (стандартизованные, на которые утвержден тип);

- специальные (нестандартизованные, применяемые для конкретных условий производства, например: калибры, контрольные приспособления, шаблоны).

Все СИ имеют отсчетное устройство - часть конструкции средства измерений, предназначенная для отсчитывания значений измеряемой величины. Форма представления показаний либо в цифровых показаниях (цифровая индикация), в которых последняя значащая цифра непрерывно изменяется, либо в цифровых показаниях, дополненных шкалой и указателем.

Указатель СИ - часть показывающего устройства, положение которого относительно отметок шкалы определяет показание средства измерений.

Указатель может быть выполнен в виде подвижных стрелок, пера само­писца, поверхности жидкости (у ртутного термометра) и т.п.

Шкала СИ − часть показывающего устройства, представляющая собой упорядоченный ряд отметок, соответствующих после­довательному ряду значений величины со связанной с ним нумерацией.

Отсчет показаний СИ - значение величины или число, зафиксированное по отсчетному устройству в заданный момент времени,

Деление шкалы - промежуток между двумя соседними отметками шкалы СИ.

Длина деления шкалы - расстояние между осями или центрами двух соседних отметок шкалы, проходящее через середины самых коротких отметок шкалы.

Цена деления шкалы - разность значений величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы средства измерений. Различают начальное и конечное значения шкалы, соответствующие наименьшему и наибольшему значениям измеряемой величины, которые могут быть отсчитаны по шкале СИ.

Показание СИ - число, отметка или сигнал на отсчетном устройстве средства измерений, соответствующее значению физической величины на момент отсчета.

Показание стрелочного прибора на какой-либо момент времени опреде­ляется положением стрелки относительно делений шкалы. Показание СИ находится как произведение числа делений на цену деления шкалы. Для примера приведены три показания, где цена деления шкалы 0,002мм (рис. 1):

I) (-7) · 0,002 = − 0,014 мм; 2) (+3) · 0,002 = + 0,006мм;

3) (+9) · 0,002 = + 0,018 мм.

Диапазон показаний - область значений шкалы прибора, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы. В приведенном примере диапазон показаний равен ±0,03мм (рис. 1).

Рис. 1. Примеры отсчета показаний средства измерений

Пределы измерения прибора - наибольшее и наименьшее зна­чение измеряемой величины, которые возможно получить с учетом крайних пе­ремещений подвижных частей прибора (рис.2).

Измерительное усилие - сила воздействия измерительного наконечника на поверхность измеряемого объекта в зоне контакта. Измерительное усилие должно быть постоянным по величине, обеспечивать надежный контакт и в то же время не вызывать значительных упругих деформаций в приборе и измеряемой детали. Нужная величина и постоянство измерительной силы обеспечивается тарированными пружинами или специальными устройствами (например, «трещотка» у микрометра; давление от пружины (порядка 100 г) у индикатора часового типа и т.п.)

Рис. 2. Пределы измерения прибора: 1 – стойка; 2 - шкала прибора;

3 - предметный столик

Измерительное усилие - сила воздействия измерительного наконечника на поверхность измеряемого объекта в зоне контакта. Измерительное усилие должно быть постоянным по величине, обеспечивать надежный контакт и в то же время не вызывать значительных упругих деформаций в приборе и измеряемой детали. Нужная величина и постоянство измерительной силы обеспечивается тарированными пружинами или специальными устройствами (например, «трещотка» у микрометра; давление от пружины (порядка 100 г) у индикатора часового типа и т.п.).

Метрологическая характеристика средства измерения (МХСИ) - характеристика одного из свойств СИ, влияющих на результат измерений или его погрешность. Основными метрологическими характеристи­ками являются: диапазон измерений (или показаний) и погрешности или со­ставляющие погрешности СИ от влияющих факторов.

Нормируемые метрологические характери­стики − метрологические характеристики, установленные нормативно-техническими документами.

Действительные метрологические характеристики − это МХСИ, которые определяются экспериментально при операциях поверки или калибровки.

ВОПРОСЫ

1.Что такое метод измерений и как их различают?

2.Как подразделяются погрешности измерений?

3.Как подразделяются средства измерений?

4.Части конструкции средств измерений