Вопрос 1. Сущность и цели измерений

Лекция 5. Виды и методы измерений

Сущность и цели измерений

Виды измерений

Методы измерений

Показатели качества измерений

Вопрос 1. Сущность и цели измерений

Измерения физических величин, или физические измерения являются предметом изучения метрологии. В противоположность этому нефизические измерения являются основным объектом изучения квалиметрии. Практика показывает, что подходы к измерению физических величин невозможно механически переносить на нефизические измерения. Особенности измерений любых свойств могут быть учтены применением для их оценки соответствующих шкал.

В соответствии с РМГ 29 – 99 измерение физической величины (измерение величины; измерение) – совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины.

Согласно закону об обеспечении единства измерений

измерение - совокупность операций, выполняемых для определения значения величины

В РМГ 29 – 99 говорится, что приведенное в нем определение понятия «измерение» соответствует общему уравнению измерений, поскольку в нем учтена техническая сторона (совокупность операций), раскрыта метрологическая суть измерений (сравнение с единицей) и показан гносеологический аспект (получение значения величины).

Примечания

1 Приведенное определение понятия «измерение» удовлетворяет общему уравнению измерений, что имеет существенное значение в деле упорядочения системы понятий в метрологии. В нем учтена техническая сторона (совокупность операций), раскрыта метрологическая суть измерений (сравнение с единицей) и показан гносеологический аспект (получение значения величины).

2 От термина «измерение» происходит термин «измерять», которым широко пользуются на практике. Все же нередко применяются такие термины, как «мерить», «обмерять», «замерять», «промерять», не вписывающиеся в систему метрологических терминов. Их применять не следует. Не следует также применять такие выражения, как «измерение значения» (например, мгновенного значения напряжения или его среднего квадратического значения), так как значение величины – это уже результат измерений.

3 В тех случаях, когда невозможно выполнить измерение (не выделена величина как физическая и не определена единица измерений этой величины) практикуется оценивание таких величин по условным шкалам

Примеры

1 В простейшем случае, прикладывая линейку с делениями к какой-либо детали, по сути сравнивают ее размер с единицей, хранимой линейкой, и, произведя отсчет, получают значение величины (длины, высоты, толщины и других параметров детали).

2 С помощью измерительного прибора сравнивают размер величины, преобразованной в перемещение указателя, с единицей, хранимой шкалой этого прибора, и проводят отсчет.

Измерительное преобразование в условиях существования уравнения измерения и возможности его корректного решения можно формально описать основным уравнением измерения:

Q = Nq,

где Q – измеряемая величина;

q – единица измеряемой величины;

N – числовое значение, определяющее соотношение между Q и q.

Для измерения интересующего нас свойства (физической величины) средство измерения приводят во взаимодействие с объектом, который является носителем соответствующего свойства. Как правило любой объект измерения характеризуется некоторым множеством физических величин (ФВ₁,..., ФВ_n, или Q₁,..., Q_n). Например, любой предмет имеет массу (она реализуется на предмете как одна физическая величина), размеры (реализуются как множество физических величин номинально разных и номинально одинаковых), плотность, твердость, электрические и магнитные характеристики. Физическая величина, присущая конкретному объекту, является не единственной его характеристикой. Поэтому измерение некоторой заданной физической величины можно представить моделью, показанной на рисунке 1.3. Очевидно также, что результат измерения Х_i не может идеально отражать измеряемое свойство и отличается от истинного значения измеряемой физической величины Q_i.

Отсюда естественно возникает разговор о точности измерений.

Принцип измерений -физическое явление или эффект, положенное в основу измерений. Примеры

1 Применение, эффекта Джозефсона для измерения электрического напряжения.

2 Применение эффекта Пельтье для измерения по­глощенной энергии ионизирующих излучений.

3 Применение эффекта Доплера для измерения скорости.

4 Использование силы тяжести при измерении массы взвешиванием

Точность результата измерений – одна из характеристик качества измерения, отражающая близость к нулю погрешности результата измерения. Поскольку точность измерения тем выше, чем меньше его погрешность, для количественной характеристики точности измерений обычно используют значения погрешностей.

Погрешность результата измерения (погрешность измерения) – отклонение результата измерения от истинного (действительного) значения измеряемой величины.

Упоминание в определении действительного значения измеряемой величины не вполне корректно, поскольку само оно не совпадает с истинным значением измеряемой величины, и, следовательно, не может быть базой для отсчета погрешности. Погрешность измерения можно представить в виде разности между результатом измерения (полученным при измерении значением физической величины) и истинным значением физической величины

∆ = х – Q,

х – результат измерения (полученное при измерении значение физической величины),

Q – истинное значение физической величины.

Целью измерения в подходе Погрешности является определение оценки истинного значения, которая насколько возможно приближается к этому единственному истинному значению. Отклонение от истинного значения комбинируется из систематических и случайных погрешностей. Два вида погрешностей, в предположении, что они всегда различимы, несомненно, трактуются различно.

Целью измерения в подходе Неопределенности является не определение истинного значения насколько возможно близко, а определение обоснованного интервала значений для измеряемой величины. Предполагается, что предприняты все возможные усилия для получения необходимой информации об измеряемой величине и измерении, что не было сделано ошибок при выполнении измерения. Дополнительная существенная информация может уменьшить размеры интервала значений, которые можно обоснованно приписать измеряемой величине. В Руководстве по выражению неопределенности (GUM) и в Международном словаре по метрологии (VIM) понятие истинного значения сохранено по причине его всеобщего использования и важности.

Измерения не являются самоцелью, а имеют определенную область использования, т.е. проводятся для достижения некоторого конечного результата, который не обязательно представляет собой оценку истинного значения измеряемой величины. В зависимости от назначения измерений (для контроля параметров продукции, испытаний образцов продукции с целью установления ее технического уровня, учета материальных и энергетических ресурсов, для диагностики технического состояния машин, экспериментальных исследований, арбитражной перепроверки и др.) конечный результат в том или ином виде отражает требуемую информацию о количественных свойствах явлений, процессов (в том числе технологических), материальных объектов (материалов, полуфабрикатов, изделий и т.п.).

Испытания - экспериментальное определение количественных и (или) качественных характеристик свойств объекта испытаний как результата воздействия на него, при его функционировании, при моделировании объекта и (или) воздействий.

Контроль - проверка соответствия объекта установленным техническим требованиям.

Процесс измерения, рассматриваемый как процесс преобразования и извлечения информации об измеряемой величине, включает этапы:

1) идентификация объекта измерения и спецификация измеряемой величины;

2) формулирование измерительной задачи;

3) планирование и организация процесса измерений,

4) обработка и анализ измерительной информации,

5) представление и анализ результатов измерений.

Детальное описание измеряемой величины (спецификация) требует знания рода величины, описания явления, физического объекта или вещества, несущих эту величину, включая любые существенные составляющие, в том числе и химические.