3. Принципы, методы и методики выполнения измерений. Системы единиц физических величин.

3. Принципы, методы и методика выполнения измерений

Очень часто измерение одной и той же величины постоянного размера разными методами дает различные результаты, причем каждый из них имеет свои недостатки и достоинства.

В теории измерений рассматриваются такие их характеристики, как принцип и метод измерений.

Принцип измерений – физическое явление или эффект, положенное в основу измерения. Например, использование силы тяжести при измерении массы взвешиванием.

Метод измерений – прием или совокупность приемов сравнения измеряемой величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. Как правило, метод измерений обусловлен устройством средств измерений.

Различают два основных метода измерений: метод непосредственной оценки и метод сравнения с мерой.

Метод непосредственной оценки – метод, при котором значение величины определяют непосредственно по показывающему средству измерений.

При использовании этого метода значение измеряемой физической величины определяют непосредственно по отсчетному устройству прибора прямого действия. Суть метода непосредственной оценки, как и любого измерения, состоит в сравнении измеряемой величины с мерой, принятой за единицу, но в этом случае мера «заложена» в измерительный прибор опосредованно. Прибор осуществляет преобразование входного сигнала измерительной информации, соответствующего всей измеряемой величине, после чего и происходит оценка ее значения. Например, взвешивание на циферблатных весах или измерение давления пружинным манометром.

Формальное выражение для описания метода непосредственной оценки может быть представлено в следующей форме:

Q = х,

где Q – измеряемая величина; х – показания средства измерения.

Метод сравнения с мерой – метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Например, измерение напряжения постоянного тока на компенсаторе сравнением с известной ЭДС нормального элемента. Результат измерения при этом методе либо вычисляют как сумму значения используемой для сравнения меры и показания измерительного прибора, либо принимают равным значению меры.

Мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведения и хранения физической величины.

Принципиальные различия между двумя основными методами измерений заключаются в том, что метод непосредственной оценки реализуется с помощью приборов без применения мер в явном виде, а метод сравнения с мерой связан с обязательным использованием овеществленной меры. Меры воспроизводят с выбранной точностью физическую величину определенного (близкого к измеряемой) размера.

Формально метод сравнения с мерой может быть описан следующим выражением:

Q = х + Х_м,

где Q – измеряемая величина, х – показания средства измерения, Х_м – величина, воспроизводимая мерой.

Примером использования метода сравнения с мерой является измерение массы на рычажных весах с уравновешиванием гирями (мерами массы с известным значением). В случае, когда используют высокоточные меры, можно уменьшить инструментальную составляющую погрешность не только за счет точности меры, но и за счет существенного (по сравнению с измерением методом непосредственной оценки) уменьшения применяемого диапазона преобразований используемого прибора, что обычно приводит к снижению значения погрешности этого прибора.

Метод сравнения с мерой реализуется в нескольких разновидностях, среди которых различают следующие.

Дифференциальный метод измерений – метод сравне­ния с мерой, при котором измеряемая величина сравнивается с однородной величиной, имеющей известное значение, незначительно отличающееся от значения измеряемой величины, при котором измеряется разность между этими двумя величинами. И при этом на измерительный прибор воздействует разность измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой, что формально соответствует х ≠ 0 в выражении Q = х + Х_м. Этот метод может дать очень точные результаты. Так, если разность составляет 0,1 % измеряемой величины и оценивается прибором с точностью до 1 %, то точность измерения искомой величины составит уже 0,001 %. Например, при сравнении одинаковых линейных мер, где разность между ними определяется окулярным микрометром, позволяющим ее оценить до десятых долей микрона.

Нулевой метод измерений – метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля (х ≈о). Принадлежит к числу очень точных методов. Например, измерения электрического сопротивления мостом с полным его уравновешиванием, измерение массы на равноплечных весах при помощи гирь.

Метод совпадений – метод сравнения с мерой, в котором значение измеряемой величины оценивают, используя совпадение ее с величиной, воспроизводимой мерой (т. е. с фиксированной отметкой на шкале физической величины). Для оценки совпадения используют прибор сравнения, фиксируя появление определенного физического эффекта (стробоскопический эффект, совпадение резонансных частот, плавление или застывание индикаторного вещества при достижении определенной температуры и др.).

В зависимости от одновременности или неодновременности воздействия на прибор сравнения измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой, различают методы замещения и противопоставления.

Метод замещения – метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой, то есть эти величины воздействуют на прибор последовательно.

Метод противопоставления – метод сравнения с мерой, в котором измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение между этими величинами.

Примеры:

– измерение диаметра цилиндрической поверхности детали штангенциркулем в одном сечении – это прямое абсолютное однократное (при повторении многократное) статическое измерение, выполняемое методом непосредственной оценки;

– нахождение значения угла прямоугольного треугольника по результатам измерений его сторон – косвенное измерение плоского угла, при котором осуществляются прямые абсолютные статические измерения линейных величин.

Методика выполнения измерений (МВИ) представляет собой установленную совокупность операций и правил (технологический процесс) проведения измерений. Обычно методика измерений документально оформлена в виде какого-либо стандарта или другого технического нормативного правового акта. Выполнение операций и правил, регламентированных в МВИ, должно обеспечить получение результатов измерений с известной погрешностью или с погрешностью, не превышающей допускаемых пределов (норм погрешности измерений), что является важнейшим условием обеспечения единства измерений, состоящим в том, что результаты измерений должны выражаться в узаконенных единицах и погрешность измерений должна быть известна.

Для реализации этих принципов недостаточно иметь СИ, метрологические характеристики которых удовлетворяют традиционным требованиям. Необходимо провести оценку точности методики выполнения измерений, так как погрешность многих измерений зависит не только от метрологических характеристик СИ, но и от других причин, которые определяются методом и процедурой измерений (погрешность метода, пробоподготовки, условий, личностные погрешности и др.).

Общие требования к разработке, аттестации и стандартизации МВИ регламентирует ГОСТ 8.010-99.

Разработка МВИ включает в себя:

– выбор метода, СИ, вспомогательных устройств, последовательности операций при выполнении измерений, алгоритма вычисления результатов;

– разработку проекта документа на МВИ;

– метрологическую аттестацию МВИ.

Методики в зависимости от ее сложности и области распространения могут быть регламентированы отдельным документом (например, стандартом, рекомендацией, аттестатом) или разделом, содержащим описание МВИ более общего документа (стандарта, эксплуатационного документа).

Порядок разработки МВИ и введение в действие документа устанавливается в зависимости от его ранга.

В документах, регламентирующих типовые МВИ, указывается: назначение МВИ; требования к погрешности измерений; требования к средствам измерений; условия измерений; требования к обеспечению безопасности; требования к обеспечению экологической безопасности; требования к квалификации оператора; операции при подготовке к выполнению измерений; операции при выполнении измерений; операции обработки и вычисления результатов измерений; нормативы, процедуру и периодичность контроля погрешности результатов выполнения измерений; требования к оформлению результатов и др.

Одним из важнейших этапов разработки и утверждения МВИ является метрологическая аттестация. Основная цель метрологической аттестации – подтверждение возможности измерений по данной МВИ с погрешностью измерений, не превышающей указанную в документе, регламентирующем МВИ.

МВИ могут применяться либо в сферах распространения государственного метрологического надзора, либо в других сферах.

Аттестацию МВИ, применяемых в сферах государственного метрологического надзора, осуществляют органы государственной метрологической службы и (или) другие компетентные организации, которые получили на это право от национального органа по метрологии. Аттестацию всех остальных МВИ осуществляют метрологические службы предприятий и организаций, разрабатывающих или применяющих МВИ.

Аттестацию МВИ осуществляют путем метрологической экспертизы документов и при необходимости по теоретическим и экспериментальным исследованиям МВИ.

Правильный выбор методик выполнения измерений является необходимым условием получения достоверной измерительной информации. Измерительная информация может быть использована для решения конкретных задач: контроля или испытаний с целью установления технического уровня продукции, учета материальных и энергетических ресурсов, контроля технологических процессов, диагностики технического состояния машин и др. То есть измерения являются основным способом получения требуемой информации о количественных свойствах явлений, процессов (в том числе технологических), материальных объектов (материалов, изделий, полуфабрикатов и др.) при проведении испытаний и контроля.

Под испытанием понимают экспериментальное определение характеристик образца продукции при заданных значениях параметров режима работы образца и параметров условий, в которых он находится. За результат испытания принимается результат измерения параметра, определяемого при испытании, при фактически установленных значениях параметров условий испытаний.

Контроль параметра образца (пробы) – проверка соответствия параметра установленным требованиям. Результатом контроля образца является суждение о том, находится или не находится значение контролируемого параметра образца в заданных границах. Результат контроля сопровождается указанием показателей достоверности контроля, а также номинальных значений параметров условий и характеристик задания этих параметров. Достоверность контроля – вероятность соответствия результатов контроля действительным значениям контролируемого параметра.

Выбор методик выполнения измерений является многовариантной задачей, при решении которой необходимо учитывать многие характеристики методик, основными из которых являются:

– точность измерений;

– экономичность;

– безопасность.

Точность измерений является необходимым условием для использования их результатов. Несоблюдение этого условия делает невозможным получение действительного значения измеряемой физической величины и бессмысленным проведение измерений. Обеспечение точности измерений заключается в установлении требуемого соотношения допустимой погрешности измерений [Δ] и предельного значения реализуемой в ходе измерений погрешности Δ: Δ ≤ [Δ].

По экономическому критерию можно сравнивать только конкурентоспособные МВИ, гарантирующие необходимую точность измерений. При оценке экономичности измерений учитывают производительность и себестоимость измерительной операции, необходимую квалификацию оператора, наличие конкурирующих СИ, цену универсальных СИ, стоимость разработки и изготовления нестандартизованного СИ, возможность многоцелевого использования данных СИ и др.

При рассмотрении безопасности измерений следует анализировать опасности, связанные с измеряемым объектом, а также те, которые могут нести средства измерений. Опасны такие явления, связанные с измеряемыми величинами, как высокие давления, механические и электрические напряжения, сила электрического тока, радиоактивность и многие другие.