Основной постулат метрологии – отсчет – является случайным числом

Шкалы измерений.

Получение информации о размере ФВ является содержанием любого измерения. Количественной характеристикой любого измерения является размер физической величины. Чтобы уяснить, что понимается под измерение в метрологии, рассмотрим типы шкал, на основе которых формируется представление об объекте. В теории измерения принято различать пять типов шкал: шкалы наименований, порядка, разностей (интервалов) и отношений.

Шкала наименований основана на приписывании объекту цифр или знаков, играющих роль простых имен. Примером такой шкалы является распространенная классификация (оценка) цвета по наименованиям (атласы цветов содержат до 1000 наименований).

Шкалы порядка – расположенные в порядке возрастания или убывания размеры измеряемой величины. Полученный при этом упорядоченный ряд называется ранжированным рядом, а саму процедуру – ранжированием. По шкале порядка сравниваются между собой однородные объекты, у которых значения интересующих свойств неизвестны. Поэтому ранжированный ряд может дать ответ на вопросы типа «что больше или меньше» или «что лучше или хуже». Более полную информацию – на сколько больше или во сколько хуже шкала порядка дать не может. Очевидно, что назвать измерением процедуру оценивания свойств объекта по шкале порядка можно только с большой натяжкой. Результаты оценивания по шкале порядка не могут подвергаться никаким арифметическим действиям. Для облегчения измерений по шкале порядка некоторые точки могут быть зафиксированы в качестве реперных (опорных). Примерами таких шкал являются: знания студентов по баллам, землетрясения по 12-бальной шкале, сила ветра по шкале Бофорта, твердость по шкале Мооса. Основным недостатком таких шкал является полное отсутствие уверенности в том, что интервалы между выбранными реперными точками являются равновеликими, а следовательно, по такой шкале нельзя вычислить единицу величины и оценить ее погрешность.

Шкалы разностей (интервалов) отличаются от шкал порядка тем, что по шкале интервалов можно судить не только о том, что размер больше другого, но и на сколько больше. Характерным примером является шкала интервалов времени, поскольку интервалы времени можно суммировать или вычитать. Примером шкал интервалов является и шкала температур. На температурной шкале Цельсия за начало отсчета разности температур принята температура таяния льда. Для удобства пользования шкалой интервалов интервал между температурой таяния льда и температурой кипения воды разделен на 100 интервалов – градусов. На температурной шкале Фаренгейта тот же интервал разбит на 180 градусов. Деление шкалы интервалов на равные части позволяет установить единицу физической величины, что позволяет выразить результат измерения в числовой мере и оценить погрешность измерения. По шкале интервалов возможны такие действия как сложение и вычитание. Однако определить во сколько раз одно значение больше или меньше другого невозможно, поскольку по шкале не определено начало отсчета физической величины.

Шкала отношений представляет интервальную шкалу с естественным началом. Примером является шкала длин. Шкала охватывает интервал значений n от 0 до ∞ и в отличие от шкалы интервалов не содержит отрицательных значений. Температурная шкала Кельвина также является шкалой отношений, т.к. в ней за начало температурной шкалы принят абсолютны ноль (более низкой температуры в природе не существует).

Шкала отношений является самой совершенной, наиболее информативной. Результаты измерений по шкале отношений можно складывать между собой, вычитать, перемножать или делить.

Понятие измерения

Прежде чем сформулировать принятое в метрологии определение понятия «Измерения», отметим следующее. Измерять можно лишь свойства реально существующих объектов, отражаемые физическими величинами. Измерение основывается на экспериментальных процедурах, никакие теоретические рассуждения и математические расчеты сами по себе не могут классифицироваться как измерения. Для проведения измерительного эксперимента необходимы особые технические средства – средства измерений. С учетом этих положений принято следующее определение:

Измерение – нахождение значения ФВ опытным путем с помощью специальных технических средств. Изме­рением какой-либо физической величины является операция, в результате которой определяется, во сколько раз измеряе­мая величина больше или меньше соответствующей величины, принятой за единицу.

Основной постулат метрологии – отсчет – является случайным числом.

Несмотря на то, что измерения непрерывно развиваются, их метрологическая суть остается без измерения и сводится к уравнению измерения

Q=nU. (1)

где Q—значение физической величины, U—единица фи­зической величины, п — размер физической величины.

Уравнение (1) является основным уравнением измерения. Правая часть его называется результатом измерения, который всегда является размерной величиной и состоит из единицы физической величины U, имеющей свое наименование, и числа п., показывающего, сколько раз данная единица содержится в измеряемой физической величине.

Виды измерений.

Для изучения метрологии как науки об измерениях рассмотрим классификацию измеренийпо различным признакам. Классификация не является самоцелью, она диктуется потребностями теории и практики. Целесообразность классификация, т.е. подразделение этого понятия на группы, обуславливается удобством при разработке методик выполнения измерений и обработки результатов. Измерения могут быть классифицированы по ряду признаков.

Можно выделить следующие виды измерений

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

1.1 Статические, при которых измеряемая величина остается постоянной во времени, например, измерение размеров тела.

1.2. Динамические– в процессе которых измеряемая величина изменяется и является непостоянной во времени. Это проявляется при измерении переменной физической величины в виде отставание показания средства измерения от истинного значения величины в каждый момент времени. Это зависит от инерционных свойств (механических, тепловых, электрических) средства измерения, а также от скорости изменения самой измеряемой величины. Примеров является измерение пульсирующих давлений, вибраций.

2. По способу получения результата, что является целью любого измерения подразделяются на прямые, косвенные, совокупные, совместные. Это также называется видамиизмерений.

2.1. Прямые измерения - это измерения, при которых искомое значение измеряемой величины находится непосредственно из опытных данных, т.е. сравнением ее с единицей физической величины или по показаниям измерительных приборов, градуированных в этих единицах. К прямым относится подавляющее большинство измерений, применяемых на практике, например, масса, измеряемая при помощи весов, температура – термометром, напряжение – вольтметром.

2.2. Косвенные измерения - это измерения, при которых искомое значение измеряемой величины находится на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. Например, измерение плотности по результатам прямых измерений массы и объема; измерение активного сопротивления по результатам прямых измерений напряжения и силы тока.

2.3.Совокупные измерения - это одновременные измерения нескольких одноименных величин, при которых искомое значение измеряемой величины находится путем решения системы уравнений, получаемой при прямых измерениях различных сочетаний этих величин.

Типичным примером совокупных измерений является определение номинальных величин масс отдельных гирь по образцовой величине массы какой либо гири. Например, с помощью совокупных измерений можно провести калибровку гирь массой 1, 2, 3, и 5 кг по одной образцовой гире с действительной массой 1 кг. Допустим также, необходимо измерить размеры физических величин Х1, Х2 и Х3, но мы не имеем устройства, которое дало бы возможность измерить непосредственно указанные величины, но располагаем устройствами, которые позволяют измерить суммы любых дух из указанных величин. Тогда, измеряя сочетания величин, получим следующие уравнения

Х1+Х2= А; Х1+Х3=В; Х2+Х3=С,

Где А, В, С – результаты измерений сочетаний. Искомые величины получаются путем решения указанных уравнений.

2.4. Совместные измерения - это одновременные измерения нескольких не одноименных величин с целью нахождения зависимости между ними.

Примером могут служить измерения, при которых электрическое сопротивление при температуре и температурные коэффициенты и измерительного сопротивления (резистора) находятся по данным прямых измерений сопротивления резистора при разных температурах t. Уравнение зависимости сопротивления от температуры имеет вид:

(2)

где

Непосредственно измеряются величины и затем при решении системы уравнений находятся величины и . Если n>3, система уравнений решается специальными способами, например, способом решения наименьших квадратов.

Совместные измерения получают все более широкое распространение. Они применяются, например, для анализа сложных, многокомпонентных смесей. Границы применения этого вида измерений особенно расширились с развитием средств вычислительной техники.

3. По условиям, определяющим точность результата:

3.1.Измерения с максимально возможной точностью. Это прежде всего эталонные измерения, связанные с максимально возможной точность воспроизведения установленных единиц ФВ, измерения значений физических констант.

3.2. Контрольно-поверочные измерения – погрешность которых с определенной вероятностью не должна превышать заданное значение. К ним относятся измерения, выполняемые лабораториями государственного надзора и заводскими измерительными лабораториями.

3.3. Технические измерения – погрешность результата которых определяется характеристикой средств измерения. Примерами могут служить измерения, выполняемые в процессе производства на предприятиях.

4. По способу выражения результатов измерений различают:

4.1. Абсолютные измерения – основанные на прямых измерениях величины или использовании значений физических констант, например, измерение значение длины штангенциркулем или микрометром, силы электрического тока в амперах, ускорения свободного падения.

4.2. При относительных измерениях величину сравнивают с одноименной, играющей роль единицы, например, измерение относительной влажности воздуха.

5. По количеству измерительной информации измерения бывают:

5.1. Однократные – это одно измерение одной измеряемой величины. Практическое применение такого вида измерений всегда сопряжено с большими погрешностями.

5.2. Многократные измерения – измерение каждой ФВ более чем один раз.

Методы измерений

Измерения классифицируют также пометодам измерения,которые призваны повысить точность и достоверность полученных результатов.

Любое сложное или простое измерение основано на определенном принципе, т.е. на совокупности физических законов, закономерностей и явлений, используемых при измерении.

Таким образом, принцип измерения показывает на основе использования какого физического закона, закономерности или явления осуществляется преобразование входной ФВ в результат измерения, т.е. получается искомое значение измеряемой величины. Такие преобразования в ходе измерений необходимы очень часто, т.к. во многих случаях непосредственно измерение величин затруднительно, громоздко, а в ряде случаев и невозможно.

Так, например, измерения температуры могут быть осуществлены с помощью использования эффекта объемного теплового расширения тел; измерения массы взвешиванием, т.е. измерением силы тяжести, пропорциональной массе.

Под методами измерения подразумевается совокупность приемов, принципов и средств измерения.

Можно выделить следующие методы измерений.

1. По способу получения значений измеряемых величин: метод непосредственной оценки и метод сравнения с мерой.

1.1.. Метод непосредственной оценки заключается в определении значения измеряемой величины непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия, отградуированного в единицах измеряемой величины. Это наиболее распространенный метод измерения, его реализуют большинство средств измерений, например, измерение напряжения электромеханическим вольтметром.

2.2. Методы сравнения с мерой, или методы сравнения, заключаются в сравнении измеряемой величины с величиной, воспроизведенной мерой. Следовательно, отличительной особенностью этих методов является непосредственное участие мер в процессе измерения. К методам сравнения относятся дифференциальный,, нулевой, замещения и совпадений.

а) Дифференциальный метод заключается в сравнении с мерой, при котором на измерительный прибор воздействует разность между измеряемой величиной и известной величиной, воспроизводимой мерой. Т.о. измеряемая величина сравнивается с мерой и о значении величины Х судят по измеряемой прибором разности ΔХ=Х-Х_М и по известной величине Х_М, воспроизводимой мерой. Следовательно, Х= ΔХ+Х_М. Примером является измерение массы на весах (рис. 1. а).

Рис. 1. Методы сравнения с мерой

При дифференциальном методе не производится полного уравновешивания измеряемой величины. Сочетая в себе часть признаков метода непосредственной оценки, дифференциальный метод может дать весьма точный результат измерений, если измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, мало отличаются друг от друга. Например, если разность этих двух величин составляет 1% и измеряется с погрешностью 1 %, то тем самым погрешность измерений искомой величины уменьшается до 0,01 %, если не учитывать погрешность меры.

б) Нулевой (компенсационный) метод является разновидностью дифференциального метода и заключается в сравнении с мерой, при котором результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводится до нуля. Это контролируется специальным измерительным прибором высокой точности – нуль-индикатором. В данном случае значение измеряемой величины равно значению, которое воспроизводит мера. Высокая чувствительность нуль-индикатора, а также выполнение меры с высокой точностью позволяют получить малую погрешность измерения. Пример нулевого метода – взвешивание на весах, когда на одном плече находится взвешиваемый груз, а на другом – набор эталонных грузов (рис. 1.1, б). Другой пример – измерение сопротивления с помощью уравновешенного моста.

в) метод замещения – в котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой. Например, взвешивание на пружинных весах в два приема. Вначале на чашу весов помещают взвешиваемую массу и отмечают положение указателя весов, затем измеряемую массу замещают массой гирь, подбирая их таким образом, чтобы указатель весов устанавливался в том же положении, что и в первом случае.

г) в методе совпадений разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадения отметок шкал. Например, совпадение основной и нониусной отметок шкал в штангенприборах для измерения линейных размеров.

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

1. Инструментальный метод, основанный на использовании специальных технических средств.

2. Экспертный метод основан на использовании данных нескольких специалистов. Широко применяется в квалиметрии, спорте, искусстве, медицине.

3. Эвристические методы оценки основаны на интуиции.

4. Органолептические методы оценки основаны на использовании органов чувств человека.

Поиск по сайту: