Измерение – совокупность операций по применению системы измерений для получения значения измеряемой физической величины.

Или другими словами измерение – это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.

Физическая величина – свойство общее в качественном отношении многим физическим объектам, но в количественном отношениииндивидуальноедля каждого (масса, длина, время, сила).

Основным свойством физической величины является ее размерность. Единица физической величины – физическая величина фиксированного размера, которой условно (по определению) присвоено числовое значение, равное единице и которая применяется для количественного выражения однородных с ней физических величин (F = H; m = кг; L = м и т.д.).

Развитие науки и техники привело к появлению множества используемых мер, что вызвало значительные трудности. Поэтому возникла необходимость разработки международной системы единиц физических величин и обеспечения единства измерения.

Под системой единиц физических величин понимают совокупность основных и производных единиц физических величин, образованную в соответствиии принципами, принятыми для заданной системы физических величин.

Наиболее распространенная в мире Международная система единиц (СИ), содержащая 7 основных единиц и ряд производных.

В качестве основных единиц приняты метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль и кандела, которые приведены в таблице 1.

Производная единица - это единица производной физической величины системы единиц, образованная в соответствии с уравнениями, связывающими ее с основными единицами или с основными и уже определенными производными (таблица 2).

Различают кратные и дольные единицы физических величин (таблица 3).

Истинное значение физической величины - значение физической величины, которая идеальным образом отражает в качественном и количественном отношении соответствующие средства объекта.

Действительное значение – значение физической величины, найденное экспериментально и приближающееся к истинному значению настолько, что может быть использовано вместо него.

Таблица 1 – Основные единицы физических величин системы СИ

Технические измерения определяют класс измерений, выполняемых в производственных и эксплутационных, когда точность измерения определяется непосредственно средствами измерения.

Единство измерений – состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах, размеры которых в установленных пределах равны размерам единиц, воспроизводимых первичными эталонами, а погрешности результатов измерений известны с заданной вероятностью и не выходят за установленные пределы.

Единство измерений обеспечивается их свойствами:

- сходимостью результатов измерений;

- воспроизводимостью результатов измерений;

- правильностью результатов измерений.

Таблица 2 – Производные единицы системы СИ, имеющее специальное название

Сходимость – это близость результатов измерений, полученных одним и тем же методом, идентичными средствами измерений, и близость к нулю случайной погрешности измерений.

Таблица 3 – Множители и приставки для образования десятичных кратных и дольных единиц и их наименований

Воспроизводимость результатов измерений характеризуется близостью результатов измерений, полученных различными средствами измерений (одной и той же точности) различными методами.

Правильность результатов измерений определяется правильностью как самих методик измерений, так и правильностью их использования в процессе измерений, а также близостью к нулю систематической погрешности измерений.

Средство измерения – техническое устройство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические характеристики.

Для хранения или воспроизведения (повторения) одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью используют средство измерения называемое мерой (мера длины, мера массы и т.д.).

Так как применяемые при измерениях методы и технические средства не являются идеальными, а органы восприятия не могут идеально воспринимать показания приборов, после завершения измерения остается некоторая неопределенность в знании объекта, называемая погрешностью результатов наблюдений.

Погрешность измерения – отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины

∆Х_изм = Х_изм – Х

т.к. истинное значение ФВ неизвестно, то

∆Х_изм = Х_изв - Х_действ

Существует четыре основных вида погрешностей измерения:

- погрешности метода измерения, погрешности, обусловленные методиками выполнения измерений;

- погрешности средств измерений;

- погрешности органов чувств наблюдателей (личностные погрешности);

- погрешности, обусловленные влиянием условий измерений.

Все эти погрешности дают суммарную погрешность, состоящую из двух составляющих – случайной и систематической.

Случайная погрешность – составляющая погрешности измерения, изменяющаяся случайным образом (по знаку и значению) при повторных измерениях, проведенных с такой же тщательностью, одной и той же физической величины (при многократных измерениях длины линейкой или рулеткой).

Систематическая погрешность – составляющая погрешности результата измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же физической величины (погрешность, связанная с износом инструмента при обработке детали).

В результатах измерения всегда присутствуют оба вида погрешности и часто одна из них значительно превышает другую. В этих случаях меньшей пренебрегают.

Систематическая погрешность возникает из-за несовершенстваметода измерений, погрешности средств измерений, из-за влияния внешних условий, погрешности градуировки и поверки и т.д.

Случайная погрешность характеризует точность измерений, систематическая – качество измерений.

Различают также абсолютную и относительную погрешности.

Абсолютная погрешность – погрешность измерения, выраженная в единицах измеряемой величины.

Относительная погрешность – это погрешность, выраженная отношением абсолютной погрешности к действительному или измеренному значению измеряемой величины (в долях или процентах).

Кроме обычной погрешности различают грубую погрешность – промах.

Промах – погрешность результата отдельного измерения, входящего в ряд измерений, которое для данных условий резко отличается от остальных результатов этого ряда.

Лекция 2

Виды и методы измерений

1 По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения методы измерений подразделяются на:

- статические, при которых измеряемая величина остается постоянной во времени (измерения размеров тела; постоянного давления);

- динамические, в процессе которых измеряемая величина изменяется и является непостоянной во времени (измерения пульсирующих давлений, вибраций)

2 По способу получения результатов измерений (виду уравнения измерений) методы измерений разделяют на:

- прямое измерение – искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных (измерение штангенциркулем, микрометром, угломером );

- косвенное измерение – искомое значение величины находят по результатам измерений других размеров, связанных с искомой определенной зависимостью

(измерение среднего диаметра резьбы с помощью 3-х проволочек);

- совместные измерения – измерения, производимые одновременно (прямые или косвенные) двух или нескольких неодноименных величин; целью этих измерений является нахождение функциональной зависимости между величинами (зависимость длины тала от температуры, эл.сопротивления проводника от давления и т.п.);

- совокупные – это такие измерения, в которых значения измеряемых величин находят по данным повторных измерений одной или нескольких одноименных величин при различных сочетаниях мер или этих величин; результаты совокупных измерений находят путем решения системы уравнений, составляемых по результатам нескольких прямых измерений (массы отдельных гирь набора находят по известной массе одной из них и по результатам прямых сравнений масс различных сочетаний гирь).

3 По условиям, определяющим точность результата измерения – 3 класса:

- измерения максимально возможной точности, достижимой при существующем уровне техники (эталонные измерения и измерения физических констант – абсолютное значение ускорения свободного падения);

- контрольно-поверочные измерения, погрешность которых с определенной вероятностью не должна превышать некоторое заданное значение (измерения, выполняемые лабораториями госнадзора за внедрением и соблюдением стандартов и состоянием измерительной техники и заводскими измерительными лабораториями с погрешностью заранее заданного значения);

- технические измерения, в которых погрешность результата определяется характеристиками средств измерений (измерения на машиностроительных предприятиях).

4 По способу выражения результатов измерений различают:

- абсолютное измерение – измерение основано на прямых измерениях величины и (или) использовании значений физических констант (измерение размеров деталей штангенциркулем или микрометром);

- относительное измерение – измерение, где полученную величину сравнивают с одноименной, играющей роль единицы или принятой за исходную (измерение диаметра вращающей детали по числу оборотов соприкасающегося с ней аттестованного ролика)

5 В зависимости от совокупности измеряемых параметров изделия различают:

- поэлементный (дифференцированный) метод – измерение каждого параметра изделия в отдельности (овальности, огранки цилиндрического вала);

- комплексный метод – измерение суммарного показателя качества (а не физической величины), на который оказывают влияние отдельные его составляющие (измерение радиального биения цилиндрической детали, на которое влияют эксцентриситет, овальность и др.)

Существуют следующие методы измерений:

1 По способу получения значений измеряемых величин различают:

- метод непосредственной оценки – метод измерения, при котором значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия (измерение длины или размеров деталей микрометром, угломером и т.д.);

- метод сравнения с мерой – метод измерения, при котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой (измерение диаметра калибра микрокатор устанавливают на нуль по блоку концевых мер длины, а результаты измерения получают по отклонению стрелки микрокатора от нуля, т.е. сравнивается измеряемая величина с размером блока концевых мер, о точности размера судят по отклонению стрелки микрокатора относительно нулевого положения)

2 При измерении линейных величин различают:

- контактный метод – измерение происходит при непосредственном соприкосновении измерительных поверхностей с поверхностью контролируемого объекта;

- бесконтактный метод - измерение происходит без соприкосновения с измеряемой поверхностью (проекционные аппараты).

3 В зависимости от измерительных средств, используемых в процессе измерения, различают:

- инструментальный метод основан на использовании специальных технических средств, в том числе автоматизированных и автоматических;

- экспертный метод оценки основан на использовании данных нескольких специалистов (широко применяется в квалиметрии, спорте, искусстве, медицине);

- эвристические методы оценки основаны на интуиции (используется способ попарного сопоставления, когда измеряемые величины сначала сравниваются между собой попарно, а затем производится ранжирование на основе результатов этого сравнения);

- органолептические методы оценки основаны на использовании органов чувств человека (осязания, обоняния, зрения, вкуса и слуха), часто используются измерения на основе впечатлений (конкурсы мастеров искусств, соревнования спортсменов).