Классификация и основные характеристики измерений

Измерение является важнейшим понятием в метрологии. Это организованное действие человека, выполняемое для количест­венного познания свойств физического объекта с помощью оп­ределения опытным путем значения какой-либо физической ве­личины [20].

Существует несколько видов измерений. При их классифи­кации обычно исходят из характера зависимости измеряемой ве­личины от времени, вида уравнения измерений, условий, опре­деляющих точность результата измерений, и способов выраже­ния этих результатов.

По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения разделяются на:

ü статические, при которых измеряемая величина остает­ся постоянной во времени;

ü 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.

По способу получения результатов измерений их разде­ляют на:

ü прямые;

ü косвенные;

ü совокупные;

ü совместные.

Прямые — это измерения, при которых искомое значение физической величины находят непосредственно из опытных данных. Прямые измерения можно выразить формулой Q = X, где Q — искомое значение измеряемой величины, а X — значе­ние, непосредственно получаемое из опытных данных.

При прямых измерениях экспериментальным операциям подвергают измеряемую величину, которую сравнивают с мерой непосредственно или же с помощью измерительных приборов, градуированных в требуемых единицах. Примерами прямых слу­жат измерения длины тела линейкой, массы с помощью весов и др. Прямые измерения широко применяются в машинострое­нии, а также при контроле технологических процессов (измере­ние давления, температуры и др.).

Косвенные — это измерения, при которых искомую величину определяют на основании известной зависимости между этой ве­личиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям, т. е. измеряют не собственно определяемую величину, а другие, функционально с ней связанные. Значение измеряемой величи­ны находят путем вычисления по формуле Q = F(x ₁, х ₂,..., x _N), где Q — искомое значение косвенно измеряемой величины; F — функциональная зависимость, которая заранее известна, x ₁, х ₂,..., x _N — значения величин, измеренных прямым способом.

Примеры косвенных измерений: определение объема тела по прямым измерениям его геометрических размеров, нахождение удельного электрического сопротивления проводника по его со­противлению, длине и площади поперечного сечения.

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.

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

Примером совокупных измерений является определение массы отдельных гирь набора (калибровка по известной массе одной из них и по результатам прямых сравнений масс различ­ных сочетаний гирь).

Совместные — это производимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для нахождения зависимостей между ними.

В качестве примера можно назвать измерение электрическо­го сопротивления при 20 °С и температурных коэффициентов измерительного резистора по данным прямых измерений его со­противления при различных температурах.

По условиям, определяющим точность результата, измере­ния делятся на три класса.

1. 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, гиромагнитного отношения протона и др.).

К этому же классу относятся и некоторые специальные из­мерения, требующие высокой точности.

2. Контрольно-поверочные измерения, погрешность которых с определенной вероятностью не должна превышать некоторого заданного значения.

К ним относятся измерения, выполняемые лабораториями государственного надзора за внедрением и соблюдением стан­дартов и состоянием измерительной техники и заводскими из­мерительными лабораториями, которые гарантируют погреш­ность результата с определенной вероятностью, не превышаю­щей некоторого заранее заданного значения.

3. 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.

По способу выражения результатов измерений различают аб­солютные и относительные измерения.

Абсолютными называются измерения, которые основаны на прямых измерениях одной или нескольких основных величин или на использовании значений физических констант.

Примером абсолютных измерений может служить определе­ние длины в метрах, силы электрического тока в амперах, уско­рения свободного падения в метрах на секунду в квадрате.

Относительными называются измерения отношения величи­ны к одноименной величине, играющей роль единицы, или из­мерения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.

В качестве примера относительных измерений можно при­вести измерение относительной влажности воздуха, определяе­мой как отношение количества водяных паров в 1м³ воздуха к количеству водяных паров, которое насыщает 1м³ воздуха при данной температуре.

Основными характеристиками измерений являются: прин­цип измерений, метод измерений, погрешность, точность, пра­вильность и достоверность.

Принцип измерений — физическое явление или совокупность физических явлений, положенных в основу измерений. Напри­мер, измерение массы тела с помощью взвешивания с использо­ванием силы тяжести, пропорциональной массе, измерение тем­пературы с использованием термоэлектрического эффекта.

Метод измерений — совокупность приемов использования принципов и средств измерений. Средствами измерений явля­ются используемые технические средства, имеющие нормиро­ванные метрологические свойства.

Погрешность измерений — разность между полученным при измерении X' и истинным Q значениями измеряемой величины:

Погрешность вызывается несовершенством методов и средств измерений, непостоянством условий наблюдения, а так­же недостаточным опытом наблюдателя или особенностями его органов чувств.

Точность измерений — это характеристика измерений, отра­жающая близость их результатов к истинному значению изме­ряемой величины.

Количественно точность можно выразить величиной, обрат­ной модулю относительной погрешности:

Например, если погрешность измерений равна 10^-4, то точ­ность равна 10⁴.

Правильность измерения определяется как качество измере­ния, отражающее близость к нулю систематических погрешно­стей результатов (т. е. таких погрешностей, которые остаются постоянными или закономерно изменяются при повторных из­мерениях одной и той же величины). Правильность измерений зависит, в частности, от того, насколько действительный размер единицы, в которой выполнено измерение, отличается от ее ис­тинного размера (по определению), т. е. от того, в какой степени были правильны (верны) средства измерений, использованные для данного вида измерений.

Важнейшей характеристикой качества измерений является их достоверность; она характеризует доверие к результатам изме­рений и делит их на две категории: достоверные и недостовер­ные, в зависимости от того, известны или неизвестны вероятно­стные характеристики их отклонений от истинных значений со­ответствующих величин. Результаты измерений, достоверность которых неизвестна, не представляют ценности и в ряде случаев могут служить источником дезинформации.

Наличие погрешности ограничивает достоверность измере­ний, т. е. вносит ограничение в число достоверных значащих цифр числового значения измеряемой величины и определяет точность измерений.