4

их классифицируют по разным признакам. Наиболее широко используется классификация по функциональному назначению. Эта классификация представлена на рис. 3.

Рис.3. Классификация средств измерений

Мера ФВ – средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения ФВ одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицахи известны с необходимой точностью.

Различаются:

1)однозначная мера – мера, воспроизводящая ФВ одного

размера;

2)многозначная мера – мера, воспроизводящая ФВ разных размеров;

3)набор мер;

11

4)магазин мер – набор мер, конструктивно объединенных

вединое устройство, в котором имеются приспособления для их соединения в различных комбинациях.

Средство сравнения – средство измерений, техническое средство или специально создаваемая среда, дающие возможность выполнять сличение друг с другом мер однородных величин или же показаний измерительных приборов.

Измерительный преобразователь – техническое средство,

служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или сигнал измерительной информации, удобный для обработки, индикации или передачи на расстояние, и имеющее нормированные метрологические характеристики.

Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой ФВ в установленном диапазоне.

Измерительная установка – совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенных для измерения одной или нескольких ФВ и расположенных в одном месте.

Измерительная система – совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого пространства (среды, объекта и т. п.) с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому пространству (объекту, среде и т. п.).

Различаются:

1)измерительная информационная система (ИИС) – измерительная система, предназначенная для целей представления измерительной информации в виде, необходимом потребителю;

2)измерительная контролирующая система (ИКС) – измерительная система, предназначенная для целей контроля параметров

12

технологического процесса, явления, движущегося объекта;

3)измерительная управляющая система (ИУС) – измерительная система, предназначенная для целей автоматического управлениятехнологическим процессом, движущимсяобъектом и т. п.;

4)измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) – функционально объединенная совокупность средств измерений, ЭВМ

ивспомогательных устройств, предназначенная для выполнения в составе ИИС конкретной измерительной задачи.

Меры, измерительные преобразователи и средства (устройства) сравнения называют элементарными СИ. Они позво-

ляют реализовать отдельные операции прямого измерения. Все остальные СИ называют комплексными. Они позволяют реализовать всю процедуру измерения.

Как следует из классификации (см. рис. 3), существует большое многообразие СИ, и каждое из них обладает своими специфическими свойствами. Даже СИ одного вида могут су-

щественно различаться по своим характеристикам. Вместе с тем средства измерений имеют ряд общих свойств, которые позволяют сопоставлять их между собой при выборе наиболее подходящего СИ для конкретного измерительного эксперимента. Совокупность характеристик СИ, которая оказывает непосредственное влияние на результаты и погрешности измерений, называется метрологическими характеристиками

средства измерений.

Все метрологические характеристики СИ нормируют. Нормировать какую либо метрологическую характеристику,

это значит указать ее номинальное значение и допускаемые отклонения от него. Для каждого вида СИ нормируется свой комплекс метрологических характеристик, который указывается в нормативно-технической документации (в техническом описании СИ). Комплекс метрологических характеристик конкретных видов и типов СИ должен быть достаточен для

определения результатов измерений и расчетной оценки с требуемой точностью характеристик инструментальных

13

составляющих погрешностей при проведении измерений в реальных условиях применения. Общий перечень нормируемых метрологических характеристик СИ, формы их представления и способы нормирования установлены в ГОСТ 8.009–84 [10].

Все метрологические характеристики СИ можно разделить на 6 групп:

1)характеристики, предназначенные для определения результатов измерений;

2)характеристики погрешностей;

3)характеристики чувствительности квлияющим величинам;

4)динамические характеристики;

5)характеристики, отражающие взаимодействие средства измерений и объекта измерений;

6)информационные параметры выходного сигнала.

Воснову любого измерения положено некоторое физическое явление (или их совокупность), составляющее принцип измерения. Но принцип измерения и соответствующие технические средства для реализации измерительного эксперимента могут использоваться по-разному. Совокупность приемов срав-

нения измеряемой ФВ с ее единицей образует метод измере-

ния. Методы измерений можно классифицировать по различным признакам:

– по физическому принципу, положенному в основу из-

мерения, различают: электрические, магнитные, акустические, оптические, механические и т. д. измерения.

– в зависимости от режима взаимодействия, средства измерения и объекта методы измерений делят на статические и динамические.

– по виду измерительных сигналов, используемых в СИ,

можно выделить аналоговые и цифровые методы измерений.

14

2. ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ

Непосредственной целью измерений является достижение

условия Xист X 0 , где Xист – истинное значение ФВ, X – ее оценка. Однако результатом как однократных, так и многократных измерений является реализация случайной величины, равной сумме истинного значения измеряемой величины и погрешности измерений.

Измерение можно считать законченным, если полностью определено не только значение измеряемой величины, но и возможная степень его отклонения от истинного значения.

Если прямое измерение проведено один раз (так называемые однократные прямые измерения), то результатом измерения являются показания СИ, например измерительного прибора. При этом за погрешность результата измерения часто принимается погрешность СИ, хотя это лишь одна из составляющих погрешностей. Все составляющие погрешности результата измерения представлены на рис. 4. В свою очередь, погрешность СИ – разность между показаниями СИ и истинным значением измеряемой физической величины; поскольку истинное значение физической величины неизвестно, то на практике используется ее действительное значение. По отдельным источникам, погрешность СИ может составлять от 50 до 70 % от погрешности результата измерения. В случае многократных наблюдений результат измерения и его погрешность находятся методом статистической обработки выполненных наблюдений.

В действующих нормативных документах (НД) [6] за результат измерения принимается среднее арифметическое значение результатов наблюдений (или их другой функционал – в случае, если результаты наблюдений не принадлежат нормальному закону распределения), а погрешность характеризует это среднее (функционал).

15

Как одна из основных характеристик измерения погрешность должна быть обязательно оценена. Для различных видов измерений проблема оценки погрешности может решаться по-разному. На основании различной исходной информации погрешность результата измерений можно оценить с разной точностью.

Различают измерения с точной, приближенной и предварительной оценкой погрешностей.

При измерениях с точной оценкой погрешности учитываются индивидуальные метрологические свойства и характеристики каждого из примененных СИ, анализируется метод измерений с целью учета их влияния на результат измерения.

Если измерения ведутся с приближенной оценкой погрешности, то учитывают лишь нормативные метрологические характеристики СИ и оценивают влияние на их результат только отклонения условий измерения от нормальных.

Измерения с предварительной оценкой погрешности выполняются по типовым методикам, регламентированным НД, в которых указываются методы и условия измерений, типы и погрешности используемых СИ. На основе этих данных заранее оценивается возможная погрешность результата.

Погрешность, как было указано выше, является одной из количественных характеристик точности.

Составляющие погрешности результата измерения представлены на рис. 4. В отечественной метрологии точность (качественная характеристика) и погрешность (количественная характеристика) результатов измерений, как правило, определяются сравнением результата измерений с истинным или действительным (условно истинным) значением измеряемой физической величины (являющимися фактически эталонными значениями измеряемых величин, выраженных в узаконенных единицах).

16

вокупности результатов измерений (выражаемое в отдельных случаях в условных единицах), так называемое «принятое опорное значение», т. е. значение, служащее в качестве согласованного для сравнения с измеренным значением.

Оно может быть получено:

1)как теоретическое или установленное значение, базирующееся па научных принципах;

2)приписанное или аттестованное значение, базирующееся на экспериментальных работах какой-либо национальной или международной организации;

3)согласованное или аттестованное значение, базирующееся на совместных экспериментальных работах под руководством научной или инженерной группы;

4)математическое ожидание измеряемой характеристики, среднее значение заданной совокупности результатов измерений – лишь в тех случаях, когда получить его перечисленными выше способами невозможно (или они недоступны).

Прежде чем приводить общую классификацию погрешности, следует отметить, что различным по назначению измерительным процедурам свойственны свои составляющие погрешности и причины их возникновения.

Погрешность результата измерения возникает:

1)при воспроизведении размера единицы физической величины (в силу того, что технически невозможно создание абсолютно точных эталонов);

2)при передаче размера единицы физической величины (к основным процедурам передачи размера относят поверку, калибровку, аттестацию);

3)при аттестации (из-за несовершенства аттестационного оборудования, методик выполнения измерений и др.);

4)при поверке СИ (из-за несовершенства методов поверки и др.);

5)при градуировке (из-за несовершенства способов нанесения шкал, ошибок при построении градуировочныхкривыхи т. д.);

18

6)при рабочих измерениях (выполняемых рабочими СИ

влабораторных, полевых или других условиях);

7)при статистической обработке результатов измерений. По метрологическому назначению измерения делят на эта-

лонные и рабочие.

Эталонные измерения выполняются с применением эталонов. Они широко применяются в практике поверочных и калибровочных работ, а также при метрологической аттестации испытательного оборудования и СИ.

Такие измерения связаны с воспроизведением и передачей размера единицы физической величины.

Эталон – комплекс СИ, предназначенный для воспроизведения и (или) хранения единицы физической величины и передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме СИ и утвержденный в качестве эталона в установленном порядке.

Конструкция эталона, его свойства и способ воспроизведения единицы определяются природой данной физической величины и уровнем развития измерительной техники в данной области измерений.

Эталон должен обладать, по крайней мере, тремя тесно связанными друг с другом существенными признаками: неизменностью, воспроизводимостью и сличаемостью. Эталоны делятся на первичные и вторичные. С помощью вторичных (рабочих разрядных) эталонов разными методами осуществляется поверка (калибровка) различных СИ.

Рабочие измерения имеют место в повседневной измерительной практике определения значения измеряемой физической величины и не связаны с передачей размера ее единицы.

К рабочим относят и технические измерения – измерения параметров технологических процессов, показателей готовой продукции, оборудования и других параметров, не связанных с передачей размера единицы величины.

Теория погрешностей строится на двух основных постулатах метрологии. Первый постулат утверждает, что сущест-

19

вует истинное значение измеряемой величины – такое, кото-

рое идеальным образом отражает в количественном и качественном отношениях соответствующую физическую величину. Это понятие соотносимо с понятием абсолютной истины в философии и необходимо как теоретическая основа развития теории измерений.

Размер (значение) физической величины мы получаем в результате измерения. Измерение – последовательность достаточно сложныхи разнородныхдействий, включающая ряд этапов:

1)постановка задачи и принятие модели объекта;

2)планирование измерения, включающее выбор метода измерения; определение требований к метрологическим характеристикам СИ и выбор конкретных СИ; подготовка СИ

кизмерительному эксперименту и т. д.;

3)проведение измерительного эксперимента;

4)обработка экспериментальных данных.

Уже на этапе принятия модели объекта делаются, как правило, некоторые допущения, упрощения модели, пренебрежение малыми величинами. Кроме того, несовершенство методов измерений и технических средств, воздействие внешних дестабилизирующих факторов и т. п. не позволяют получить при измерении истинное значение измеряемой ФВ.

Второй постулат утверждает, что истинное значение из-

меряемой величины отыскать невозможно, т. е. что погрешности при измерениях неизбежны.

Если Xизм – измеряемая величина, то погрешность может быть записана в виде:

где Х – абсолютная погрешность измерения. Воспользоваться выражением (1) для определения погреш-

ности невозможно, т. к. Хист остается неизвестным. В практике измерений вместо Хист используется другая величина, которая на-

зывается действительным значением измеряемой ФВ – Хдст.

20