2.1.2. Измерения и средства измерений

Измерение – совокупность операций по применению технического средства,го единицу физической величины с целью нахождения соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получения значения этой величины. Например, с помощью измерительного прибора со шкалой сравнивается размер измеряемой физической величины, преобразованной в перемещение указателя, с единицей, хранимой шкалой этого прибора, и производится отсчёт.

Если Q – значение физической величины, U- единица физической величины, n - размер физической величины, то Q=nU. Это уравнение является основным уровнением измерения.

Рассмотрим классификацию измерений по различным признакам.

Прямое измерение (прямой метод измерения) – измерение, при котором искомое значение физической величины получают непосредственно, например, измерение давления манометром, измерение длины штангенциркулем.

Косвенное измерение (косвенный метод измерения) – состоит в определении значения физической величины на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной. (Например, психрометрический метод измерения относительной влажности воздуха по температуре сухого и мокрого термометров).

Совокупные измерения – измерения, проводимые для нескольких одноименных измеряемых величин, при которых искомые значения величин определяются путем решения системы уравнений, получаемых при измерениях этих величин в различных сочетаниях. (Например, определение значений массы набора гирь по известным значениям нескольких из них).

Совместные измерения – это производимые одновременно измерения нескольких неодноименных величин для определения функционально зависимости между ними. Они применяются, например, для анализа сложных, многокомпонентных смесей. Этот вид измерений применяют в современных приборах с применением средств вычислительной техники. Например, измеряют оптическую плотность и температуру вещества.

Статическое измерение представляет собой измерение физической величины, которая не изменяется на протяжении времени измерения в соответствии с конкретной измерительной задачей.

Динамическое измерение – измерение изменяющейся по размеру физической величины.

Метод непосредственной оценки – определение значения измеряемой величины непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия.

Метод сравнения с мерой – сравнение измеряемой величины с величиной воспроизводимой мерой. Разновидности этого метода: дифференциальный метод – на измерительный прибор воздействует разность между измеряемой величиной и известной величиной, воспроизводимой мерой и нулевой (компенсационный) метод – результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводится до нуля.

Измерительную информацию получают с помощью средств измерений. По конструктивному исполнению средства измерений разделяют на меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки и измерительные системы.

Меры физической величины – средства измерения, предназначенные для воспроизведения и (или) хранения физической величины. Например, гиря, калибр, мерные линейки, стандартный образец.

Измерительные преобразователи – средства измерения, служащие для преобразования измеряемой величины в другую величину или сигнал измерительной информации, удобный для обработки, хранения и дальнейших преобразований. Измерительные преобразователи входят в состав измерительных приборов или применяются вместе со средствами измерений. По характеру преобразования различаются аналоговые, цифро-аналоговые и аналого-цифровые измерительные преобразователи. По месту в измерительной цепи различают первичные и промежуточные преобразователи. Первичный измерительный преобразователь – это измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина. Датчик представляет собой конструктивно обособленный измерительный преобразователь, от которого поступает измерительный сигнал. Датчик может быть вынесен на значительное расстояние от средства измерений, воспринимающего его информационные сигналы. Датчики подвергаются стандартизации по ряду параметров: по источникам питания, по форме и размерам монтажных плат, каркасов, панелей, конструкций корпусов, присоединительных узлов, по видам исполнений – пыле- и влагозащищенное, герметичное, виброустойчивое и т.д.

Измерительный прибор – средство измерения, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне. Прибор содержит устройство для преобразования измеряемой величины и ее индикации в форме, наиболее доступной для восприятия. Измерительные приборы различаются типом выходной информации: приборы с аналоговой (непрерывной) выходной информацией, в которых часто применяются стрелочные индикаторы и приборы с цифровой выходной информацией, в которых используются, например, светодиодные индикаторы.

Измерительная установка – совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенных для измерения одной или нескольких физических величин 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 объекта с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов для различных назначений.

По метрологическому назначению все средства измерения (СИ) подразделяются на рабочие и эталоны. Рабочие СИ предназначены для проведения технических измерений. Эталоны – это высокоточные средства измерений, используются для проведения метрологических измерений в качестве средств передачи информации о размере единицы. Передача размера осуществляется в процессе поверки средств измерений. Целью поверки является установление их пригодности к применению.

Метрологические характеристики средств измерений – это характеристики средств измерений, которые влияют на результаты измерений и на их погрешности. Метрологические характеристики позволяют оценить применимость СИ для той или иной задачи и сравнить их между собой.

Одной из основных метрологических характеристик средств измерений является градуировочная характеристика, представляющая собой зависимость между значениями величин на входе и выходе, полученная экспериментально (в виде графика, формулы или таблицы).

Диапазон показаний средств измерений – область значений шкалы прибора, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы.

Диапазон измерений СИ – область значений измеряемой величины, в пределах которой нормированы допустимые пределы погрешности СИ.

Следует отметить, что диапазон показаний относится к шкале СИ, а диапазон измерений – к измеряемой физической величине. Диапазон измерений обычно меньше диапазона показаний.

Чувствительность СИ – свойство, определяемое отношением изменения выходного сигнала это средства к вызвавшему его изменению измеряемой величины. Для измерительного преобразователя с линейной функцией преобразования h(х) = a + bx чувствительность определяется коэффициентом b.

Чувствительность не следует путать с порогом чувствительности - наименьшим значением измеряемой величины, начиная с которого может осуществляться ее измерение данным средством.

Цена деления шкалы средства измерений – разность значений величины между соответствующими двумя соседними отметками шкалы СИ.

Важнейшей метрологической характеристикой средств измерений является погрешность СИ. Погрешность СИ (инструментальная погрешность) является частью общей погрешности измерений.

Погрешность средств измерений

От погрешностей, присущих средствам измерений, зависит погрешность результата измерений той или иной физической величины. Погрешность средства измерений есть разница между значением величины, полученной при помощи этого средства, и истинным значением измеряемой величины. Поскольку истинное значение величины не известно, на практике вместо него пользуются действительным значением величины, полученным при помощи более точного средства измерений.

Погрешности средств измерений могут быть классифицированы следующим образом:

- по характеру появления и причинам – систематические и случайные;

- по отношению к условию применения – основные и дополнительные;

- по способу (форме) числового выражения – абсолютные, относительные и приведенные.

Систематической погрешностью средства измерения называется составляющая погрешности, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же величины. Происхождение и характер этих погрешностей известен и выявляется в результате многократных измерений одной и той же величины. Влияние этих погрешностей исключается путем введением поправок, определяемых расчетным или опытным путем.

Случайной погрешностью средства измерения называется составляющая погрешности, изменяющиеся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины. Она возникает в результате влияния на средства измерений таких случайных факторов как вибрация, наличие электромагнитных полей, изменение органов чувств наблюдателя. Они не могут быть исключены опытным путем. Для учета случайных погрешностей одну и ту же величину измеряют много раз данным средством измерений. К полученному ряду значений применимы теории вероятности и математической статистики, на основании которых оценивается случайная составляющая погрешности средств измерений.

Основная погрешность – это погрешность средства измерения, используемого в нормальных условиях, которые обычно определены в нормативно-технической документации на данное средство измерения.

Под дополнительными погрешностями понимают изменение погрешности средств измерений вследствие отклонения влияющих величин от нормальных значений.

Абсолютная погрешность измерительного прибора – это разность между показаниями прибора и истинным (действительным) значением измеряемой величины:

Х =

где Х_П – показания прибора;

Х_д – действительное значение измеряемой величины. За действительное значение измеряемой величины принимают показания образцового прибора.

Относительная погрешность прибора – это отношение абсолютной погрешности измерительного прибора к истинному (действительному) значению измеряемой величины, %:

Приведенная погрешность измерительного прибора - это отношение абсолютной погрешности измерительного прибора к нормирующему значению. нормирующее значение – условно принятое значение Х_N, равное или верхнему пределу измерения, или диапазону измерений, или длине шкалы. Приведенную погрешность обычно выражают в %:

Точность СИ – характеристика качества средства измерений, отражающая близость его погрешности к нулю. Класс точности СИ – это обобщенная характеристика данного типа СИ, как правило, отражающая уровень их точности, выражается пределами допускаемых основных и дополнительных погрешностей, а также другими характеристиками, влияющими на точность. Класс точности дает возможность судить о том, в каких пределах находится погрешность СИ данного типа, но не является непосредственным показателем точности измерений, выполняемых с помощью каждого из этих средств. Класс точности средств измерений конкретного типа устанавливается в стандартах, технических условиях или других нормативных документах.

В соответствии с основными нормативами документации (ГОСТ 12997-76 «Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации. Технические условия») основной метрологической характеристикой измерительного прибора является класс точности, который является обобщенной характеристикой средств измерений, определяющей пределы допускаемых основных и дополнительных погрешностей. Под пределом допускаемой погрешности понимается наибольшая (без учета знака) погрешность средства измерений при которой оно может быть признано годным к эксплуатации.

ГОСТ 8.401-80 регламентирует способы значения классов точности в зависимости от способа выражения пределов допускаемых погрешностей средств измерений. Этим стандартом предусматривается выражение предельно допускаемых погрешностей средств измерений в виде абсолютных и приведенных погрешностей.

Абсолютная погрешность выражается

(1)

или

, (2)

где - предел допускаемой абсолютной погрешности, выражаемой в единицах на входе (выходе);

а – положительное число, выраженное в тех же единицах, что и

х – значение величины на входе (выходе) средств измерений;

в- отвлеченное положительное число.

Относительная погрешность выражается формулой:

(3)

или

, (4)

где - предел допускаемой относительной погрешности %;

с,d – относительные величины;

х_к – конечное значение диапазона измерения прибора.

Приведенную погрешность определяют по формуле:

(5)

где - предел допускаемой приведенной погрешности, %;

х_N – нормирующее значение, равное или верхнему пределу измерений или диапазону измерений, или длине шкалы.

Для измерительных приборов предельные допускаемые погрешности которых выражены как приведенные погрешности согласно выражению (5), должны быть присвоены классы точности, выбираемые из ряда чисел:

(1;1.5; 2; 2.5; 3; 4; 5; 6) 10ⁿ, где n=(1.0; 0; -1; -2; и т.д.) Класс точности прибора устанавливают при выпуске, градуируя его по образцовому прибору в нормальных условиях.

Для измерительных приборов, предел допускаемых погрешностей которых выражается относительной погрешностью в процентах, согласно выражению (4) класс точности определяется совокупностью значений с и d. Тогда условные обозначения состоят из двух чисел, разделенных косой чертой и равных с и d.

Таким образом, для большинства применяемых в практике приборов используются одночленные или двучленные обозначения класса точности. Например, обозначение класса точности 0,5 показывает, что пределы допускаемых погрешностей выражаются в процентах нормирующего значения. Обозначение класса точности 0,1/0,2 означает что предел допускаемой относительной погрешности в процентах значения измеряемой величины определяется формулой

,

где с=0,1 d=0,02

Статические погрешности СИ возникают при измерении физической величины, принимаемой за неизменную. Динамические погрешности средств измерений возникают при измерении изменяющейся во времени (в процессе измерений) физической величины.

На обеспечение качества измерений направлено применение аттестованных методик выполнения измерений (МВИ) – ГОСТ 8.563-96 «ГСИ. Методики выполнения измерений».

Методика выполнения измерений – это совокупность операций и правил, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с известной погрешностью. МВИ – это, как правило, документированная измерительная процедура. МВИ может быть изложена в отдельном документе (стандарте, рекомендации), разделе стандарта, части технического документа (разделе ТУ, паспорта).

Аттестация МВИ – процедура установления и подтверждения соответствия МВИ предъявляемым к ней метрологическим требованиям. В документах, регламентирующих МВИ в общем случае указывают: назначение МВИ; условия выполнения измерений; требования к погрешности измерений; метод измерений; требования к средствам измерения, вспомогательным устройствам, материалам и т.п.; операции при подготовке к выполнению измерений; операции при выполнении измерений; операции обработки и вычисления результатов измерений; нормативы и процедуру контроля погрешности результатов выполняемых измерений; требования к квалификации операторов; требования к безопасности выполняемых работ.

Справочно!

Задачи метрологического обеспечения систем управления качеством на предприятиях пищевой промышленности можно разделить на две группы:

- поддержание используемых средств измерений в метрологически пригодном состоянии;

- создание и совершенствование системы метрологического обеспечения производства. Эта группа задач включает в себя:

1. Разработку исходных положений организации и выполнение измерений в условиях производства. Измерения, выполняемые в пищевой промышленности должны быть или социально необходимы, или экономически выгодны. Однако с повышением точности результата измерения значительно возрастают затраты. Поэтому требования к точности должны быть обоснованно минимальными и учитывать особенности пищевой промышленности с метрологической точки зрения.

2. Оптимизацию номенклатуры контролируемых технологических параметров и показателей качества сырья и готовой продукции. Увеличение номенклатуры контролируемых параметров влечет за собой существенные издержки на приобретение средств измерений, на их метрологическую поверку и калибровку, на выполнение измерений и т.д.

3. Создание новых специфических средств измерений (например, измерительных систем, нового программного обеспечения и т.п.)

4. Установление допустимых значений погрешности контролируемых параметров и показателей качества сырья и готовой продукции. Допустимые значения погрешности являются основой принятия большинства решений, связанных с измерениями: выбор средств измерений, установление допустимых норм потерь, брака и расхождений измеренных значений при приемке-сдаче (например, допустимые расхождения измеренных значений масс грузов у отправителя и получателя).

Все контролируемые технологические параметры разделяются на четыре основные группы:

регулируемые параметры тех влияющих на технологический процесс факторов, которые поддаются управлению и формируют заданное количество и качество продукции;

нерегулируемые параметры тех влияющих на технологический процесс факторов, которые не поддаются управлению или такое управление нецелесообразно;

экологические параметры, которые определяют безопасное ведение процесса и степень его воздействия на окружающую среду;

параметры учета, участвующие в формировании материального баланса при учете материальных ценностей (масса, расход).

Регулируемые технологические параметры в конечном счете являются производными от соответствующих показателей качества выпускаемой продукции. Поэтому наиболее полно задача выбора контролируемых параметров может быть решена в случае, когда установлена функциональная зависимость между технологическими контролируемыми параметрами и показателями качества. Для этого разрабатывают математическую модель всего технологического процесса (оборудования) или его части.

Для выявления и анализа факторов, влияющих на качество продукции применяют статистические методы, такие как диаграмма Парето (графики видов брака), схема Исикавы (причинно-следственная диаграмма).

Допустимый размах (допуск) значений контролируемых технологических параметров характеризует границы, в пределах которых возможно изменение значений параметров без существенного влияния на соответствующие показатели качества продукции или эффективность производства. Он определяет вероятность браковки готового изделия или сырья при контроле.

Допуск может быть задан (определен) для отдельных образцов продукции или для среднего арифметического значения показателя качества, полученного из контролируемой выборки объемом n. В первом случае границы допуска будем обозначать Тн (нижняя) и Тв (верхняя), во втором – Lн и Lв соответственно. Всегда Тв >Тн и Lв> Lн.

Чтобы уменьшить количество годных изделий, забракованных из-за погрешности измерения при контроле качества, необходимо стремиться расширить поле допуска о, т.е. обеспечить гарантированный допуск из условия требуемого значения риска изготовителя. Одновременно, чтобы уменьшить количество негодных изделий, признанных годными из-за тех же причин, необходимо это поле допуска возможно более сузить, т.е. обеспечить гарантируемый допуск из условий требуемого значения риска заказчика.

Обычно требуемая точность измерения параметра продукции задается допуском, т.е. пределом, внутри которого допускается отклонение значений параметра от номинального значения. Характеристики поля допуска определяют его положение относительно номинального значения Хн параметра Х. Положение характеристик поля допуска показаны на рис. 2.1. Хнб – наибольшее предельное значение, Хнм – наименьшее предельное значение.

А-Δ₀ А+Δ₀

-0 - 0 0+0 0-0 0+0

Хнм Xн Xнб

Рис. 2.1. Характеристики поля допуска

Выбор характера нормы точности (двухсторонняя или односторонняя) должен обосновываться на следующем:

При показателе качества, имеющем нормальное распределение, должны устанавливаться два предела: верхний и нижний; исключение могут составлять только для случая, когда потребители не заинтересованы в строгой однородности продукции, а нуждаются только в том, чтобы показатель обязательно превышал определенный минимум Тн («не менее»).

Ошибочно считать, что измерения организованы и выполнены тем лучше, чем точнее полученный результат измерения. Следует иметь ввиду, что с повышением точности результата экономические затраты увеличиваются в квадратической зависимости, а также значительно возрастают социальные трудности и временные издержки. Измерения должны быть экономически выгодными или социально необходимыми (например, измерения в критических контрольных точках - концентрации вредных веществ и т.п.). Для сферы производства общие требования к точности измерения можно сформулировать так: сумма стоимости потерь из-за погрешности измерения и затрат на измерения с данной точностью должны быть минимальной.

Следует иметь ввиду, что погрешность прямых измерений параметра практически равна погрешности средства измерения в рабочих условиях. При косвенных измерениях погрешность средства измерения составляет часть погрешности измерений. В таких случаях необходимо представление о методической составляющей погрешности измерений (Типичные источники методических погрешностей приведены в МИ 1967-89 «ГСИ. Выбор методов и средств измерений при разработке методик выполнения измерений. Общие положения»).

Погрешность измерений средних значений (по n точкам измерений) практически в n раз меньше погрешности измерений в одной точке. Погрешность измерений средних значений (в одной точке) за некоторый интервал времени также меньше погрешности измерений текущих значений за счет фильтрации высокочастотных случайных составляющих погрешности СИ.

Пример. Погрешность общей массы материала м, прошедшего через дозатор за время , будет м = n ^–0,5, т.е. будет уменьшаться n раз, где n – количество порций (отвесов) массы (именно для этой порции нормирована по паспорту погрешность дозатора). Поскольку, как правило, дозаторы за время  делают большое количество отвесов, то относительная погрешность измеряемой массы материалы сравнительно быстро снижается (например, в 10 раз после 100 отвесов). Нормированная относительная погрешность прибора в зависимости от его назначения может быть и сравнительно большой. Важно лишь, чтобы она носила случайный характер.