Виды и методы измерений

Права и обязанности

Права и обязанности структурных подразделений метрологической службы в центральном аппарате, в головных и базовых организациях метрологической службы, а также на предприятиях и в организациях определяются Положением о метрологической службе государственного органа управления или юридического лица, утверждаемые их руководителем.

Деятельность метрологических служб поддерживается законодательными и нормативными документами, регламентирующими различные направления, в том числе по метрологическому обеспечению производства и сертификации систем качества; эталонами и средствами измерений, контроля и испытаний;  специалистами, имеющими профессиональную специальную подготовку, квалификацию и опыт в выполнении метрологических работ и услуг.

Единство измерений

Существуют определенные правила записи, при которых показатели регистрируются в единицах, принятых законом. При этом для погрешностей результатов существуют пределы. В этих рамках показатели считаются допустимыми. Поэтому создаются различные виды погрешностей измерений, которые отличаются по степени отклонения. Главной задачей правил записи является преобразование всех результатов, полученных в разных точках, в разные моменты, с использованием различных приборов и методов, в единую систему. В наше время необходимо получение более точных и достоверных данных в сферах науки и экономики. Поэтому так усиленно изучаются виды измерений. Метрология имеет огромное значение.

Усреднение результатов измерений

Зачастую недостаточно провести измерение один раз. Всегда есть вероятность, что измерительный прибор использовался неверно или же была допущена ошибка при чтении показания. Чтобы этого избежать, величина измеряется несколько раз, а полученные результаты усредняются, т. е. находится их среднее арифметическое. Даже пословица гласит: «Семь раз отмерь, один раз отрежь». Для вычисления среднего арифметического используется следующая формула:

Предположим, что нам нужно измерить время, за которое бегун преодолевает 100-метровую дистанцию, при помощи трех секундомеров. Обозначим это время буквой t. Показания секундомеров были следующими: 12,5 с; 12,7 с; 12,6 с. Чтобы найти время как можно более точно, вычислим среднее арифметическое результатов измерений:

Скорость реакции человека влияет на результаты измерений при помощи секундомера.

Иногда среднее арифметическое не является наилучшим вариантом. Предположим, что для измерения времени бегуна мы использовали четыре секундомера и получили следующие результаты: 12,5 с, 14,6 с, 12,7 с и 12,6 с. Результат 14,6 с в значительной степени отличается от других и оказывает существенное влияние на среднее арифметическое. В таком случае следует сравнить результаты измерений и исключить результат, который сильно отличается от остальных, т. е. просто не учитывать второй результат (14,6 с) при вычислении среднего арифметического.

Нужно ли при вычислении среднего арифметического отбросить значения, которые сильно отличаются от других?

• Да.
• Нет.

Вычисли среднее арифметическое и впиши ответ с точностью до десятых.

Среднее арифметическое массы учеников равно  кг.

Подумай!

• Когда целесообразно провести несколько измерений и вычислить среднее арифметическое?
• Каким образом скорость реакции человека влияет на измерение времени при помощи секундомера?

Измерительные преобразователи

СрИзм, предназначенные для преобразования измеряемой величины в другую однородную или неоднородную величину с целью представления измеряемой величины в форме, удобной при обработке, хранении, передаче в показывающее устройство. Измерительные преобразователи не имеют устройств отображения измерительной информации, поэтому они входят в измерительные приборы или применяются вместе с ними.

Различают:

• Первичные преобразователи — предназначены для непосредственного восприятия измеряемой величины, как правило, неэлектронной и преобразовывая ее в электрическую (например, датчики).
• Промежуточные преобразователи – преобразователи, расположенные в измерительной цепи первичного преобразователя и обычно по измеряемой физической величине, однородные с ним.

Пример: овременные измерительные преобразователи нередко оснащаются и цифровыми, и аналоговыми выходными цепями. Примерами таких преобразователей являются Е854ЭЛ, Е856ЭЛ и Е849ЭЛ

Совокупность конструктивно объединенных первичных и промежуточных преобразователей носит название «измерительные приборы».

Распределение по способу отсчета

У приборов существуют различные методы отсчета данных для изучаемых величин. Поэтому была создана специальная классификация. На ее основе можно сделать вывод о том, что существуют воспроизводящие приборы, к которым относятся не только аналоговые, но и цифровые. Другой вид устройств – те, что регистрируют информацию. Самыми популярными считаются аналоговые устройства. Их составляющая, отвечающая за ведение отсчета, формируется из двух деталей. Первой является шкала, которая подключена к движущейся части. Другой элемент прибора – это указатель, соединенный с корпусом устройства. Действие измерителей, работа которых основывается на цифровом принципе, является результатом действия механических и электронных элементов.

Вариативность

Разнообразием отличаются не только виды измерений. Классификация приборов для проведения данной процедуры также предполагает наличие разных разделов. Принята систематизация по назначению, например. Одну группу приборов называют образцовыми, а другую – рабочими. Первые необходимы для того, чтобы использовать их как эталон для проверки точности других измерений. К рабочим относятся те, которые предназначаются для оценки размеров конкретных величин, используемых человеком. Можно сказать, что смысл такой классификации заключается не в точности приборов, а в различиях по предназначению. Существуют различные средства, при помощи которых осуществляется измерение. Виды измерения включают в себя и специальные меры, при помощи которых воспроизводят какую-либо величину конкретного размера.

Для чего изобрели компьютер?

Для определения некоторых величин ученым приходится проводить измерения сотни тысяч и даже миллионы раз. Сделать это позволяет современная аппаратура, при использовании которой измерения не занимают много времени. Для поиска ответа среди огромного количества результатов измерений требуются очень мощные компьютеры. Именно необходимость произведения сложных расчетов стала причиной изобретения компьютера много лет назад. В наше время продолжается поиск новых возможностей для создания все более быстрых компьютеров, которые можно будет использовать, например, для вычисления данных, содержащихся в генах.

Компьютером будущего может стать квантовый компьютер, возможная скорость которого значительно выше скорости современных компьютеров.

КРИТЕРИЙ ОТСУТСТВИЯ КОРРЕЛЯЦИОННОЙ СВЯЗИ МЕЖДУ ПОГРЕШНОСТЯМИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИИ АРГУМЕНТОВ

При условии, что распределение случайных погрешностей результатов
измерений аргументов не противоречит нормальному распределению, критерием
отсутствия корреляционной связи между погрешностями результатов измерений
аргументов является выполнение неравенства.

где t_q— коэффициент Стьюдента, соответствующий уровню значимости q и числу степеней свободы f= n- 2;

оценка коэффициента корреляции между погрешностями аргументов a_h и a_j; a_hi, a_ji, — результаты i-го измерения h-го и j-го аргументов; n_j = n = n— число измерений каждого из аргументов.

Если измеряемая величина зависит от m аргументов, необходимо проверить отсутствие
корреляционных связей между погрешностями всех парных сочетаний аргументов.

Справочное

Пример. Определение плотности твердого тела по формуле ρ = mV.

При определении
плотности твердого тела получены результаты измерений аргументов,
представленные в таблице.

Зависимость измеряемой величины от аргументов нелинейна, поэтому для нахождения
результата измерения и оценки его погрешностей следует воспользоваться методом
линеаризации. Предварительно следует проверить, выполняется ли неравенство ().

При линеаризации функции ρ = mV остаточный член имеет вид

Числовое значение R равно

Знаки у слагаемых взяты одинаковыми, так как погрешности ∆V
и ∆mслучайные. Числовое
значение Rнеобходимо сравнить с числовым значением
0,8×S(ρ).

Числовое значение S(ρ) равно

Так как
0,0000006<0,8·0,0035, то условие неравенства () выполняется.

В
соответствии с формулой () результат
измерения равен

Среднее квадратическое отклонение результата вычисляют в соответствии с
формулой ()

Запись результата измерения, согласно п. ,
можно представить в виде

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ДАННЫЕ

1. РАЗРАБОТАНА НПО «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева»

ИСПОЛНИТЕЛИ Ж.Ф. Кудряшова, канд. Техн. Наук

2. УТВЕРЖДЕНА НПО «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева»
20.12.89

3. ЗАРЕГИСТРИРОВАНА ВНИИМС 13.07.90 г.

КРИТЕРИЙ ОТСУТСТВИЯ КОРРЕЛЯЦИОННОЙ СВЯЗИ МЕЖДУ ПОГРЕШНОСТЯМИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИИ АРГУМЕНТОВ

При условии, что распределение случайных погрешностей результатов
измерений аргументов не противоречит нормальному распределению, критерием
отсутствия корреляционной связи между погрешностями результатов измерений
аргументов является выполнение неравенства.

где t_q — коэффициент Стьюдента, соответствующий уровню значимости q и числу степеней свободы f = n — 2;

оценка коэффициента корреляции между погрешностями аргументов a_h и a_j ; a_hi , a_ji , — результаты i -го измерения h -го и j -го аргументов; n_j = n = n — число измерений каждого из аргументов.

Если измеряемая величина зависит от m аргументов, необходимо проверить отсутствие
корреляционных связей между погрешностями всех парных сочетаний аргументов.

Справочное

Пример. Определение плотности твердого тела по формуле ρ = m / V .

При определении
плотности твердого тела получены результаты измерений аргументов,
представленные в таблице.

Зависимость измеряемой величины от аргументов нелинейна, поэтому для нахождения
результата измерения и оценки его погрешностей следует воспользоваться методом
линеаризации. Предварительно следует проверить, выполняется ли неравенство ( 11).

При линеаризации функции ρ = m / V остаточный член имеет вид

Числовое значение R равно

Знаки у слагаемых взяты одинаковыми, так как погрешности ∆V
и ∆ m случайные. Числовое
значение R необходимо сравнить с числовым значением
0,8× S (ρ).

Числовое значение S (ρ) равно

Так как
0,0000006<0,8·0,0035, то условие неравенства ( 11) выполняется.

В
соответствии с формулой ( 12) результат
измерения равен

Среднее квадратическое отклонение результата вычисляют в соответствии с
формулой ( 13)

Запись результата измерения, согласно п. 5.2,
можно представить в виде

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ДАННЫЕ

1. РАЗРАБОТАНА НПО «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева»

ИСПОЛНИТЕЛИ Ж.Ф. Кудряшова, канд. Техн. Наук

2. УТВЕРЖДЕНА НПО «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева»
20.12.89

3. ЗАРЕГИСТРИРОВАНА ВНИИМС 13.07.90 г.

• ГОСТ 14926-81 Пластмассы. Метод определения миграции пластификаторов
• ГОСТ 12536-79 Методы лабораторного определения гранулометрического (зернового) и микроагрегатного состава
• ГОСТ 20997.4-81 Таллий. Метод химико-спектрального определения алюминия, железа, висмута, кадмия, индия, меди, марганца, никеля, свинца, серебра и цинка
• ГОСТ 8.373-80 Государственная система обеспечения единства измерений. Государственный специальный эталон и общесоюзная поверочная схема для средств измерений объемного расхода нефтепродуктов в диапазоне от 2,8х10 в ст. минус 6 до 2,8х10 в ст. минус 2 м куб./с
• ГОСТ 8.407-80 Государственная система обеспечения единства измерений. Расходомеры несжимаемых жидкостей. Нормируемые метрологические характеристики
• ГОСТ 8.576-2001 Государственная система обеспечения единства измерений. Государственная поверочная схема для средств измерений потока электронов, плотности потока электронов и флюенса (переноса) электронов, потока энергии, плотности потока энергии и флюенса (переноса) энергии электронного и тормозного излучений

1.6. Организация Государственной метрологической службы

Государственная метрологическая служба России (ГМС) представляет собой совокупность государственных метрологических органов и создаётся для управления деятельностью по обеспечению единства измерений.

Общее руководство ГМС осуществляет Госстандарт РФ, на который Законом «Об обеспечении единства измерений» возложены следующие функции:

• Межрегиональная и межотраслевая координация деятельности по обеспечению единства измерений;
• Установление правил создания, утверждения, хранения и применения эталонов единиц величин;
• Определение общих метрологических требований к средствам, методам и результатам измерений;
• Государственный метрологический контроль и надзор;
• Контроль за соблюдением условий международных договоров РФ о признании результатов испытаний и проверки средств измерений;
• Утверждение нормативных документов по обеспечению единства измерений;
• Утверждение государственных эталонов;
• Установление межповерочных интервалов средств измерений;
• Отнесение технических устройств к средствам измерений;
• Установление порядка  разработки и аттестации методик выполнения измерений;
• Ведение и координация деятельности Государственных научных метрологических центров (ГНМЦ).
• Аккредитация государственных центров испытаний средств измерений;
• Утверждение типа средств измерения;
• Ведение Государственного реестра средств измерений;
• Установление порядка лицензирования деятельности юридических и физических лиц по изготовлению, ремонту, продаже и прокату средств измерений;
• Организация деятельности и аккредитация метрологических служб юридических лиц на право проведения калибровочных работ;
• Планирование и организация выполнения метрологических работ;

В состав ГМС входят семь государственных научных метрологических центров, Всероссийский научно-исследовательский институт метрологической службы (ВНИИМС) и около 100 центров стандартизации и метрологии.

Деятельностью этих служб руководит Госстандарт РФ, который координирует их работу с работой ГМС на основе единой технической политики.

Вспомогательные элементы оценки

Существуют также вспомогательные приборы и средства для проведения измерений. Особенностью таких устройств является то, что они не только проводят исследование величин самостоятельно. Они могут регулировать работу главного элемента, изменяя его действие в момент считывания информации, а также при ее обработке или выдаче. Данные, которые выдаются дополнительными средствами, помогают контролировать и редактировать показания устройств. Например, для более четкой работы термометров необходимо также установить манометры, измеряющие давление окружающей среды. Кроме того, вспомогательные приборы могут изменять настройки работы измерителя. Так, в случае с использованием прибора для регистрации уровня влажности нужно установить значения диапазона.

Приборы сравнения

Однако приспособления с прямым действием не являются самыми точными. Гораздо выше эта характеристика у прибора сравнения. Его работа основывается на сопоставлении данных, полученных при измерении изучаемой величины с уже известной информацией о других значениях. Этот способ и имеет название «косвенные измерения». Их получение возможно при наличии исходных данных. Другими словами, параметры формируются из показателей, которые выдает непосредственное измерение. Виды измерения имеют еще несколько категорий. Для того чтобы сравнить значения, необходимо воспользоваться компенсационными или мостовыми цепями. Первыми сравнивают те величины, которые обладают некоторой энергией или силой. Этот способ основывается на том, что сравниваемые величины подключают к контуру цепи и изучают их проявление. В том же случае, если величина считается пассивной, то есть обладает сопротивлением, применяют мостовые цепи.

Прямые и косвенные измерения

Для получения достоверных результатов нужно правильно использовать измерительный прибор. К сложным измерительным приборам производитель прилагает паспорт, где описывается ход проведения измерений. Для более простых измерительных приборов объемное руководство не требуется. Например, чтобы измерить ширину дверного проема при помощи мерной ленты, необходимо приложить конец ленты к одному краю проема и прочесть показание ленты у другого края. Подобное измерение, когда физическая величина измеряется непосредственно измерительным прибором, называют прямым измерением.

Прямое измерение мерной лентой.

Несмотря на то, что в мире существует огромное количество измерительных приборов, некоторые величины невозможно измерить непосредственно. Например, нельзя измерить расстояние между Землей и Солнцем с помощью мерной ленты, скорость света – с помощью спидометра или массу небоскреба – с помощью весов. В подобных случаях сначала находят величины, которые можно измерить посредством прямых измерений, и лишь затем вычисляют искомую величину. Измерения, при которых физическая величина вычисляется на основании других величин, полученных путем прямых измерений, называются косвенными измерениями. Например, чтобы вычислить скорость пешехода, нужно измерить время, которое ему требуется на преодоление отрезка пути определенной длины. В этом случае скорость находится косвенным путем.

Расстояние от улицы Георга Отса до улицы Кай составляет 1,5 км. Чтобы преодолеть его пешком, потребуется около 15 минут. На основании имеющихся данных можно вычислить скорость пешехода.

• Портной вычисляет количество и стоимость ткани на основании снятых мерок.
• Человек, желающий похудеть, подсчитывает сброшенные за последний месяц килограммы на основании результатов за каждую неделю.
• Ученик определяет по часам, сколько времени осталось до конца учебного дня.
• Инженер измеряет диаметр шарикового подшипника штангенциркулем.
• Кондитер измеряет количество какао, необходимое для приготовления торта, с помощью мерного стакана.
• Зная длину и ширину поля, фермер вычисляет количество зерна, необходимое для посева.
• Метеоролог вычисляет приблизительное расстояние до грозовой тучи, зная скорость распространения звука и засекая, сколько секунд проходит от удара молнии до раската грома.
• Посетители бани смотрят на показание термометра, чтобы узнать температуру в парилке.

МИ подразделяются на

Метод непосредственной оценки

Значение измеряемой величины снимается непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия.

Преимущество – быстрота измерений, обусловливающая незаменимость для практического применения. Недостаток – ограниченная точность.

Метод сравнения с мерой

Измеряемая величина сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой. Пример: измерение длины линейкой.

Преимущество – большая точность измерения, чем при методе непосредственной оценки. Недостаток – большие затраты времени на подбор мер.

Метод противоставления

Измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, единовременно действует на прибор сравнения, с помощью которого устанавливают соотношение между этими величинами.

Например, взвешивание на равноплечных весах, при котором измеряется масса, определяется как сумма массы гирь, ее уравновешивающих, и показаний по шкале весов.

Преимущество – уменьшение воздействия на результаты измерения факторов, влияющих на искажение сигналов измерительной информации. Недостаток – увеличение времени взвешивания.

Дифференциальный (разностный) метод

Характеризуется разностью измеряемой и известной (воспроизводимой мерой) величинами. Например, измерение путем сравнения с рабочим эталоном на компаторе, выполняемые при поверке мер длины.

Преимущество — получение результатов с высокой точностью, даже при применении относительно грубых средств для измерения разности.

Метод совпадения

Метод сравнения с мерой, в которой разность между значениями искомой и воспроизводимой мерой величин измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов.

Преимущество – метод позволяет существенно увеличить точность сравнения с мерой. Недостаток – затраты на приобретение более сложных СрИзм, необходимость  наличия профессиональных навыков у оператора.

Метод замещения

Основан на сравнении с мерой, при котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой, сохраняя все условия неизменными. Например, взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашку весов.

Преимущества – погрешность измерений мала, так как определяется в основном погрешностью меры и зоной нечувствительности прибора (ноль – индикатор). Недостаток – необходимость применения многозначных мер.

Косвенный метод измерения

Измерение физической величины одного наименования, связанной с другой искомой величиной, определенной функциональной зависимостью, с последующим расчетом путем решения управления. Косвенные методы широко применяются при химических методах испытания.

Преимущества – возможность измерения величин, для которых отсутствуют методы непосредственной оценки или они не дают достоверных результатов или связаны со значительными затратами. Недостатки – повышенные затраты времени и средств на измерение.

Измерение. Виды измерения

Существуют различные взаимодействующие операции, задачей которых является установка типов отношений между величиной, которую оценивают, и той, что считают единицей. Последняя зафиксирована в устройстве для измерения. Числовое значение – это полученные данные. У них есть и другое название – показатель физической величины. Существуют различные виды средств измерений. К ним относятся и сами единицы, и приборы, и специальные преобразователи, а также системы и установки. Обширно и значение понятия «измерение». Виды измерения также очень разнообразны. Однако при этом есть некоторые общие моменты. Виды и методы измерений объединены одной структурой. Процедуры оценки состоят из двух этапов. В первую очередь нужно сравнить измеряемую величину с эталонной единицей, после чего конвертировать в нужный формат, обратившись к определенному способу.