Файл: Лекции по теоретической метрологии.doc

По реализованной точности и по степени рассеяния результатов при многократном повторении измерений одной и той же величины различают равноточные и неравноточные, а также на равнорассеянные и неравнорассеянные измерения.

Равноточные измерения – ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности средствами измерений в одних и тех же условиях с одинаковой тщательностью.

Неравноточные измерения – ряд измерений какой-либо величины, выполненных различающимися по точности средствами измерений и (или) в разных условиях.

В примечаниях к двум последним определениям предлагается до обработки ряда измерений, убедиться в том, что все измерения являются равноточными, а неравноточные измерения обрабатывать с учетом веса отдельных измерений, входящих в ряд.

Оценка равноточности и неравноточности, а также равнорассеянности и неравнорассеянности результатов измерений зависит от выбранных значений предельных мер расхождения точности или оценок рассеяния. Допустимые расхождения оценок устанавливают в зависимости от задачи измерения. Равноточными называют серии измерений 1 и 2, для которых оценки погрешностей _i и _j можно считать практически одинаковыми

(₁  ₂),

а к неравноточным относят измерения с различающимися погрешностями

(₁  ₂).

_{о о о о}

Измерения в двух сериях считают равнорассеянными(₁  ₂), или при (₁  ₂) неравнорассеянными (в зависимости от совпадения или различия оценок случайных составляющих погрешностей измерений сравниваемых серий 1 и 2).

В зависимости от планируемой точности измерения делят на технические и метрологические. К техническим следует относить те измерения, которые выполняют с заранее установленной точностью. Иными словами,при технических измерениях погрешность измерения  не должна превышать заранее заданного значения []:

  [],

где [] – допустимая погрешность измерения.

Именно такие измерения наиболее часто осуществляются в производстве, откуда и взято их наименование.

Метрологические измерениявыполняют с максимально достижимой точностью, добиваясь минимальной (при имеющихся ограничениях) погрешности измерения

---

, что можно записать как

 0.

Такие измерения имеют место при эталонировании единиц, при выполнении уникальных исследований.

В тех случаях, когда точность результата измерений не имеет принципиального значения, а цель измерений состоит в приблизительной оценке неизвестной физической величины прибегают к ориентировочным измерениям, погрешность которых может колебаться в достаточно широких пределах, поскольку любая реализуемая в процессе измерений погрешность , принимается за допустимую []

[] = .

Общность метрологического подхода ко всем этим видам измерений состоит в том, что при любых измерениях определяют значения  реализуемых погрешностей, без чего невозможна достоверная оценка результатов.

Методы измерений

В соответствии с РМГ 29 – 99 метод измерений – прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. В примечании сказано, что метод измерений обычно обусловлен устройством средств измерений.

(По ГОСТ 16263 –70: Метод измерений – совокупность приемов использования принципов и средств измерений).

Оба определения дают слишком много возможностей для произвола, поскольку можно акцентировать принципы («интерференционный метод измерения длины», «фотоэлектрический метод угловых измерений»), средства («стробоскопический метод измерения частоты»), приемы использования средств измерений («метод полного уравновешивания», «контактный метод»). Кроме того, если для конкретного случая достаточно подробно описать все входящие в определение операции, получим описание измерительной процедуры или методику выполнения измерений (МВИ), а метод измерений придется признать идентичным МВИ. В нормативном документе есть ряд частных понятий, определяющих разновидности метода измерений, но они не покрывают всех разновидностей методов. В частности НД содержит определения следующих терминов:

• 
  метод непосредственной оценки;
  
• 
  метод сравнения с мерой;
  
• 
  нулевой метод измерений;
  
• 
  дифференциальный метод измерений;
  
• 
  метод измерений замещением;
  
• 
  метод измерений дополнением;
  
• 
  контактный метод измерений;
  
• 
  бесконтактный метод измерений.
  

---

Анализ приведенных терминов показывает, что классификация методов измерений осуществлялась по разным основаниям, например, в зависимости от наличия или отсутствия в явном виде мер физической величины (гирь, концевых мер длины или др.) или от «степени уравновешивания» объекта мерами. Методы измерений замещением и дополнением фиксируют особенности МВИ, рассматриваемые с позиций взаимодействия мер и прибора сравнения. Разделение методов измерений на контактные и бесконтактные связано с особенностями конструкции чувствительных элементов прибора. Поскольку набор терминов из РМГ 29 –99 отличается от терминов в отмененном с ГОСТ 16263 –70, а в литературе широко использовались именно включенные в старый стандарт термины, мы по необходимости будем дополнять приведенный перечень.

Анализ метода измерений следует начинать с выяснения основных признаков: является он методом непосредственной оценки или методом сравнения с мерой. Фактически это единственное принципиальное деление, поскольку значительная часть терминов просто уточняет разновидности метода сравнения с мерой. Различия между двумя методами измерений заключаются в том, что метод непосредственной оценки реализуют с помощью приборов без дополнительного применения мер, а метод сравнения с мерой предусматривает обязательное использованиеовеществленной меры. Меры в явном виде воспроизводят с выбранной точностью физическую величину определенного (близкого к измеряемой) размера.

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

Метод сравнения с мерой (метод сравнения) – метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.

При использовании метода непосредственной оценки значение измеряемой физической величины определяют непосредственно по отсчетному устройству прибора прямого действия. Суть метода непосредственной оценки, как любого метода измерения состоит в сравнении измеряемой величины с мерой, принятой за единицу, но в этом случаемера «заложена» в измерительный приборопосредованно. Прибор осуществляет преобразование входного сигнала измерительной информации, соответствующего всей измеряемой величине, после чего и происходит оценка ее значения.

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 характеризуется тем, что прибор фактически используют для определения разности измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой. Для реализации этого метода можно использовать приборы с относительно небольшими диапазонами показаний, вплоть до вырожденной шкалы с одной нулевой отметкой. Примерами этого метода являются измерения массы на рычажных весах с уравновешиванием объекта гирями (мерами массы), измерения напряжения постоянного тока прибором-компенсатором путем сравнения с известной ЭДС нормального элемента.

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.

Примерами используемых мер являются гири, концевые меры длины или угла, эталонные резисторы и т.д. Если использовать высокоточные меры, то инструментальные составляющие погрешности можно уменьшить не только за счет точности меры, но и за счет существенного уменьшения применяемого при измерении диапазона преобразований. При измерении методом непосредственной оценки измерительное преобразование полностью соответствует измеряемой величине, что при наличии у используемого прибора мультипликативной погрешности обычно приводит к существенному снижению точности. Метод сравнения с мерой позволяет свести работу прибора сравнения к измерительному преобразованию разности измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой, которая существенно меньше всей измеряемой величины.

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

• 
  дифференциальный и нулевой методы измерений,
  
• 
  метод совпадений,
  
• 
  метод измерений замещениеми метод противопоставления,
  
• 
  метод измерений дополнением.
  

В данном перечислении курсивом выделены термины, включенные в РМГ 29 –99.

Дифференциальный и нулевой методы отличаются друг от друга в зависимости от степени приближения размера, воспроизводимого мерой, к измеряемой величине

---

.

Дифференциальный метод измерений (дифференциальный метод) – метод измерений, при котором измеряемая величина сравнивается с однородной величиной, имеющей известное значение, незначительно отличающееся от значения измеряемой величины, и при котором измеряется разность между этими двумя величинами.

Пример – измерения длины, выполняемые на станковом приборе с измерительной головкой при настройке по блоку концевых мер.

Фактически дифференциальный метод измерений – это метод сравнения с мерой, в котором на измерительный прибор воздействует разность измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой, что формально соответствует х ≠ 0 в выражении

Q = х + Х_м.

Нулевой метод измерений (нулевой метод) – метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводят до нуля.

Формально это можно представить какх ≈ 0в том же выраженииQ = х + Хмиз чего следует:

Q ≈ Хм.

Пример – измерения массы взвешиванием на равноплечих рычажных весах с полным уравновешиванием чашек.

Метод совпадений (по ГОСТ 16263 –70) – 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 можно использовать прибор сравнения или органолептику, фиксируя появление определенного физического эффекта (стробоскопический эффект, совпадение резонансных частот, плавление или застывание индикаторного вещества при достижении определенной температуры и другие физические эффекты).

В зависимости от одновременности или неодновременности воздействия на прибор сравнения измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой, различают метод измерений замещением и метод противопоставления.

Метод измерений замещением (метод замещения) – метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают мерой с известным значением величины. Пример — взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашку весов (метод Борда).

Следует отметить, что РМГ 29 –99 представляет слишком узкую трактовку метода замещения. В другой интерпретации, особенно характерной для линейно-угловых измерений, рассматривают альтернативную пару: методы замещения и противопоставления. В таком случае

---