Читать книгу Метрологическое обеспечение производства - Надежда Лаврова - Страница 9

Измерение – совокупность действий для определения отношения одной (измеряемой) величины к другой однородной величине, принятой всеми участниками за единицу, хранящуюся в техническом средстве (средстве измерений). Получившееся значение называется числовым значением измеряемой величины, числовое значение совместно с обозначением используемой единицы называется значением физической величины

Измерения как экспериментальные процедуры определения значений измеряемых величин весьма разнообразны, что объясняется множеством измеряемых величин, различным характером их измерения во времени, различными требованиями к точности измерений и т. д. Существует несколько видов измерений.

Их можно классифицировать по нескольким признакам, наиболее важные из которых отражены на рис. 3.1.

В зависимости от способа получения результатов все измерения делятся на четыре вида: прямые, косвенные, совместные и совокупные.

Прямое измерение – измерение, при котором искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных в результате выполнения измерения. Примерами прямых измерений служат измерения длины тела масштабной линейкой, массы при помощи весов, избыточного давления с помощью манометра. Это самый распространенный вид измерений на производственных объектах.

Косвенное измерение – измерение, при котором искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. При косвенном измерении значение измеряемой величины получают путем решения уравнения x = f (x1, x2, x3,…,xn), где x1, x2, x3,…,xn – значения величин, полученных прямыми измерениями.

Рисунок 3.1 – Классификация видов измерений

Примерами косвенных измерений могут служить измерение объема тела по прямым измерениям его геометрических размеров, нахождение удельного сопротивления проводника по его сопротивлению, длине и площади поперечного сечения, определение сопротивления резистора R из уравнения R=U/I, в которое подставляют измеренные значения падения напряжения U на резисторе и тока I через него.

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 косвенных измерений особенно велика при измерении величин, недоступных непосредственному экспериментальному сравнению, например, размеров астрономического или внутриатомного порядка.

Совместные измерения – это производимые одновременно измерения двух или нескольких не одноименных величин для нахождения зависимости между ними. При этом решают систему уравнений.

Примером совместного измерения является определение постоянных коэффициентов в уравнении известной зависимости сопротивления проводника от температуры R_t=R₀ (1+αt).

Вначале измеряют электрическое сопротивление проводника при одной температуре R=R₁ при t₁, затем делают аналогичный замер при другой температуре R=R₂ при t₂. После этого составляют систему из двух уравнений, из которых находят искомые параметры R₀ и A зависимости.

Совокупные измерения – это производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомую величину определяют решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин.

По числу наблюдений измерения подразделяются на обыкновенные и статистические.

Обыкновенные (однократные) измерения – измерения, выполняемые один раз (с однократным наблюдением).

Статистические (многократные) измерения – измерения одного итого же размера величины, результат которого получают из нескольких следующих друг за другом однократных измерений (с многократными наблюдениями).

С какого числа можно считать измерения многократными? Строгого ответа на этот вопрос нет. Однако известно, что с помощью таблиц статистических распределений ряд измерений может быть обработан по правилам математической статистики при числе наблюдений n = 4. Поэтому считается, что измерение можно считать многократным при числе наблюдений не менее 4. Во многих случаях, особенно в быту, выполняются именно однократные измерения. Например, измерение конкретного момента времени по часам обычно производится один раз. Однако при некоторых измерениях для уверенности в получаемом результате одного отсчета недостаточно. Поэтому часто и в быту рекомендуется проводить не одно, а несколько измерений.

По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения разделяются на динамические и статические.

Динамические измерения – измерения величин, размер которых изменяется с течением времени.

Быстрое изменение размера измеряемой величины требует ее измерения с точной фиксацией момента времени. Например, измерение расстояния до уровня земли со снижающегося самолета или измерение переменного напряжения электрического тока. По существу, динамическое измерение является измерением функциональной зависимости измеряемой величины во времени.

Статические измерения – измерения величин, принимаемых в соответствии с конкретной измерительной задачей за неизменные на протяжении времени измерения.

Например, измерение линейного размера изготовленной детали при нормальной температуре можно считать статическим, поскольку колебания температуры в цехе на уровне десятых долей градусов вносят погрешность измерений не более 10 мкм/м, несущественную по сравнению с погрешностью изготовления детали. Поэтому в этой измерительной задаче можно считать измеряемую величину неизменной.

По условиям, определяющим точность результатов, измерения бывают: максимально возможной точности, контрольно-поверочные и технические.

Измерения максимально возможной точности – это измерения с точностью максимально достижимой при существующем уровне техники. К ним относят, в первую очередь, эталонные измерения, связанные с максимально возможной точностью воспроизведения установленных единиц физических величин, и, кроме того, измерение физических констант, прежде всего универсальных (например, абсолютного значения ускорения свободного падения, гиромагнитного отношения протона и др.).

Контрольно-поверочные измерения – это измерения, погрешность которых с определенной вероятностью не должна превышать заданного значения. К ним относятся измерения, выполняемые лабораториями государственной метрологической службы и производственными метрологическими лабораториями, осуществляемые такими средствами измерений и по такой методике, которые гарантируют погрешность результата с определенной вероятностью, не превышающей некоторого, заранее заданного значения.

Технические измерения – это измерения, в которых погрешность результата определяется характеристиками средств измерения. Технические измерения являются наиболее распространенными и выполняются во всех отраслях хозяйства и науки. К ним, в частности, относятся и технологические измерения.

По способу выражения результатов измерения различают относительные и абсолютные измерения.

Относительные измерения – это измерения отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.

Абсолютные измерения – это измерения, основанные на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значений физических констант. Например, измерение силы с помощью динамометра будет относительным измерением, а ее измерение путем использования физической константы g (ускорение свободного падения) и мер массы (основной величины СИ) – абсолютным.

При проведении абсолютных измерений в распоряжении экспериментатора не имеется единицы измеряемой величины. В связи с этим приходится ее воспроизводить непосредственно в процессе измерений. Это возможно двумя способами:

– получать «непосредственно из природного мира», т. е. воспроизводить ее на основе физических законов и фундаментальных физических констант (такое измерение в международном словаре метрологических терминов VIM называется фундаментальным измерением);

– воспроизводить единицу на основании известной зависимости между нею и единицами других величин.

Внедрение и метрологическое обеспечение относительных измерений, как правило, являются наилучшим решением многих измерительных задач, поскольку они являются наиболее простыми, точными и надежными, чем абсолютные измерения. Абсолютные измерения на практике должны применяться в виде исключения. Их сфера применения – независимое воспроизведение основных единиц СИ и открытие новых физических закономерностей. Взаимодействие средств измерений с объектом основано на физических явлениях, совокупность которых составляет принцип измерений.

Принцип измерений – физическое явление или эффект, положенный в основу измерений тем или иным средством измерений.

Примерами принципов измерений являются:

– применение эффекта Джозефсона для измерений электрического напряжения;

– применение эффекта Доплера для измерения скорости;

– применение силы тяжести при измерении массы взвешиванием;

– зависимость сопротивления платины от температуры, реализованная в платиновых термометрах сопротивления.