Вопрос 2. Виды измерений

РМГ 29 – 99 вводит понятие область измерений – совокупность измерений физических величин, свойственных какой-либо области науки или техники и выделяющихся своей спецификой. В соответствии с определением выделяют ряд областей измерений: механические измерения, магнитные, акустические, измерения ионизирующих излучений и др.

Видом измеренийназвана часть области измерений, имеющая свои особенности и отличающаяся однородностью измеряемых величин. Как примеры видов измерений приведены измерения электрического сопротивления, электродвижущей силы, электрического напряжения, магнитной индукции, относящиеся к области электрических и магнитных измерений.

Более широкая трактовка видов измерений позволяет отнести к ним приведенные в том же документе измерения, характеризуемые следующими альтернативными парами терминов:

· прямые и косвенные измерения,

· совокупные и совместные измерения,

· абсолютные и относительные измерения,

· однократные и многократные измерения,

· статические и динамические измерения,

· равноточные и неравноточные измерения,

· технические и метрологические

Прямые и косвенные измерения различают в зависимости от способа получения результата измерений. Прямое измерение – измерение, при котором искомое значение физической величины получают непосредственно.

В ходе прямых измерений искомое значение величины определяют непосредственно по устройству отображения измерительной информации применяемого средства измерений. Формально без учета погрешности прямые измерения могут быть описаны выражением

Q = х,

где Q – измеряемая величина,

х – результат измерения.

Косвенное измерение – определение искомого значения физической величины на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной.

При косвенных измерениях искомое значение величины рассчитывают на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. Формальная запись такого измерения

Q = F (X, Y, Z,…),

где X, Y, Z,… – результаты прямых измерений.

Принципиальной особенностью косвенных измерений является необходимостьобработки результатов вне прибора (на бумаге, с помощью калькулятора или компьютера), в противоположность прямым измерениям, при которых прибор выдает готовый результат. Классическими примерами косвенных измерений можно считать нахождение значения угла треугольника по измеренным длинам сторон, определение площади треугольника или другой геометрической фигуры и т.п. Один из наиболее часто встречающихся случаев применения косвенных измерений – определение плотности материала твердого тела.

Прямые и косвенные измерения характеризуют измерения некоторой одиночной физической величины. Измерение любого множества физических величин классифицируется в соответствии с их однородностью или неоднородностью. В этом и состоит различие совокупных и совместных измерений.

Совокупные измерения – проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин определяют путем решения системы уравнений, получаемых при измерениях этих величин в различных сочетаниях.

Фактически определению во всей полноте соответствуют не измерения, а специальные исследования. Реально к совокупным измерениям следует отнести те, при которых осуществляется измерение нескольких одноименных величин, например, длин L₁, L₂, L₃ и т.д. Подобные измерения выполняют на специальных устройствах (измерительных установках) для одновременного измерения ряда геометрических параметров деталей.

Совместные измерения – проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для определения зависимости между ними. В иной трактовке совместные измерения подразумевают измерение нескольких неодноименных величин (X, Y, Z и т.д.) без поиска зависимостей. Примерами таких измерений могут быть комплексные измерения электрических, силовых и термодинамических параметров электродвигателя, а также измерения параметров движения и состояния транспортного средства (скорость, запас горючего, температура двигателя и др.).

Пример: измерение тока при различных значениях напряжения для проверки закона Ома.

В качестве примера совместных измерений рассмотрим определение коэффициентов в формуле, связывающей сопротивление,

,

где R₂₀ - сопротивление терморезистора при t = 20° С; α и β – температурные коэффициенты. Для определения R₂₀, α, β производят измерения R_t1 R_t2 R_t3, при трех различных значениях температуры (t₁, t₂ и t₃), а затем решают систе­му из трех уравнений.

Для отображения результатов, получаемых при измерениях, могут быть использованы разные оценочные шкалы, в том числе градуированные в единицах измеряемой физической величины, либо в некоторых относительных единицах. В соответствии с этим принято различать абсолютные иотносительныеизмерения.

Абсолютное измерение – измерение, основанное на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значений физических констант.

В примечании к определению сказано, что понятие абсолютное измерение применяется как противоположное понятию относительное измерение и рассматривается как измерение величины в ее единицах, и что именно такое понимание находит все большее применение в метрологии.

Относительное измерение – измерение отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерение изменения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.

Пример — Измерение активности радионуклида в источнике по отношению к активности радионуклида в однотипном источнике, аттестованном в качестве эталонной меры активности.

По числу повторных измерений одной и той же величины различают однократные и многократные измерения.

Однократное измерение – измерение, выполненное один раз.

Многократное измерение – измерение физической величины одного и того же размера, результат которого получен из нескольких следующих друг за другом измерений, т.е. состоящее из ряда однократных измерений.

В зависимости от поставленной цели число повторных измерений может колебаться в широких пределах (от двух измерений до нескольких десятков и даже сотен). Многократные измерения проводят или для страховки от грубых погрешностей (в таком случае достаточно трех-пяти измерений) или для последующей математической обработки результатов (часто более пятнадцати измерений с последующими расчетами средних значений, статистической оценкой отклонений и др.). Многократные измерения называют также «измерения с многократными наблюдениями».

Не следует отождествлять понятие измерениес понятием наблюдение при измерении -экспериментальной операцией, выполняемой в процессеизмерения.

Наблюдение при измерении - операции, проводимые при измерении и имеющие целью своевременно и правильно произвести отсчет.

Не следует заменять термин измерение термином наблюдение

Результат наблюдения - это одно значение (отсчет)измеряемой величины. Результат измерения получается после математической обработки всех отсчетов.

Измерением с однократными наблюденияминазывается измерение, при котором каждый отсчет получен при различных значениях физических величин, связанных с измеряемой величиной.

Пример: измерение ускорения тел различной массы при действии на них фиксированной силы.

Измерением с многократными наблюденияминазывается измерение, при котором все отсчеты получены при фиксированных значениях физических величин, связанных с измеряемой величиной.

Пример: измерение ускорения тела заданной массы при действии на него одной и той же силы при многократном повторении эксперимент

Статическое измерение – измерение физической величины, принимаемой в соответствии с конкретной измерительной задачей за неизменную на протяжении времени измерения.

Динамическое измерение – измерение изменяющейся по размеру физической величины.

Трактовка статических и динамических измерений как измерений постоянной либо переменной физических величин в философском плане всегда неоднозначна («все течет, все меняется»). «Неизменных» физических величин, кроме физических констант в практике измерений почти нет, все величины различаются только в соответствии со скоростью изменения.

Статические и динамические измерения наиболее логично рассматривать в зависимости от скорости получения средством измерения входного сигнала измерительной информации. При измерении в статическом режиме (или квазистатическом режиме) скорость изменения входного сигнала несоизмеримо ниже скорости его преобразования в измерительной цепи, и результаты фиксируются без динамических искажений.

При измерении в динамическом режиме появляются дополнительные динамические погрешности, связанные со слишком быстрым изменением входного сигнала измерительной информации, поступающего от измеряемой величины. Режим измерений могут в значительной степени определить применяемые средства измерений. Например, могут различаться режимы измерений температуры ртутным термометром и электронными термометрами.

По реализованной точности и по степени рассеяния результатов при многократных измерениях одной и той же величины различают равноточные и неравноточные, а также равнорассеянные и неравнорассеянные измерения.

Равноточные измерения – ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности средствами измерений в одних и тех же условиях с одинаковой тщательностью.

Неравноточные измерения – ряд измерений какой-либо величины, выполненных различающимися по точности средствами измерений и (или) в разных условиях.

Принципиальные различия заключаются в том, что при объединении неравноточных рядов измерений следует вводить весовые коэффициенты.

Равноточными называют серии измерений 1 и 2, для которых оценки погрешностей D_i и D_j можно считать практически одинаковыми

(D₁ » D₂),

а к неравноточным относят серии с различающимися погрешностями

(D₁ ¹ D₂).

Серии измерений считают равнорассеянными или неравнорассеянными

по практическому совпадению или различию оценок случайных составляющих погрешностей измерений сравниваемых серий 1 и 2.

_{о о о о}

Формально это можно представить как D₁ » D₂ или D₁ ¹ D₂ .

Оценка равноточности и неравноточности, равнорассеянности или неравнорассеянности результатов измерений зависит от выбранных значений предельных расхождений погрешностей в сериях измерений. Допустимые расхождения устанавливают в зависимости от задачи измерения.

По планируемой точности измерения делят на технические и метрологические. К техническимследует относить измерения, которые выполняют с заранее установленной точностью, т.е. с соблюдением такого условия, что погрешность измерения D не должна превышать заданного значения [D]:

D £ [D],

где [D] – допустимая погрешность измерения.

Именно такие измерения наиболее часто осуществляются в производстве, откуда и взято их наименование.

Метрологические измерениявыполняют с максимально достижимой точностью, добиваясь минимальной (при имеющихся ограничениях) погрешности измерения D, что можно записать как

D® 0.

Такие измерения имеют место при эталонировании единиц, при выполнении уникальных исследований.

В тех случаях, когда цель измерений состоит в приблизительной оценке физической величины, а точность результата измерений не имеет принципиального значения прибегают кориентировочным измерениям. Их погрешности могут колебаться в широких пределах, поскольку любая реализуемая в процессе измерений погрешность D, принимается за допустимую [D]

[D] = D.

Общность метрологического подхода ко всем этим видам измерений состоит в том, что при любых измеренияхопределяют значенияDреализуемых погрешностей, без чего невозможна достоверная оценка результатов.