Общая характеристика измерений и контроля

Цель измерений и контроля – получение информации оператором или экспериментатором. Исключения составляют автоматические измерения и контроль, выполняемые по определенной программе без непосредственного участия человека.

К простейшим видам получения информации можно отнести способность человека качественно оценивать, например состояние окружающей его среды с помощью органов чувств: “холодно или жарко”, “светло или темно”, или принимать альтернативные решения: “годен” или “не годен”.

С помощью простейших технических средств также можно принимать решение типа “да” или “нет”. Например, найти “фазу” в сетевой розетке с помощью неонового индикатора, обнаружить разрыв или короткое замыкание на каком либо участке электрической цепи и т. п. Такие задачи обычно решаются до измерений (с помощью контрольных операций), когда еще нет достаточно априорных сведений для постановки измерений.

Поэтому, только после получения предварительных сведений об интересующем нас объекте, можно ставить задачу по количественной оценке его параметров, то есть – организовать и выполнить измерения.

Практика показывает, что для выбора метода измерения необходимо знать хотя бы ожидаемый порядок измеряемой величины, так как любому методу свойственны недостатки и ограничения, а средства измерений всегда ограничены по рабочему диапазону.

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ, ИХ ТОЧНОСТЬ

Для описания свойств объектов пользуются понятием – физическая величина (ф. в.).

Физическая величина – свойство общее в качественном отношении для многих физических объектов. Например, длина, масса, электрическое сопротивление, электрический ток и др.

Физическая величина характеризует качественную сторону свойств физических объектов, процессов, сред.

Для оценки количественной характеристики свойств объектов принято понятие – значение физической величены (зн. ф. в.).

Значение физической величены – это количественная оценка ф. в. в виде некоторого числа принятых для нее единиц. Например, сила тока 5А, длина изделия 4.5м. Эти числа всегда именованные и требуют введения единиц физических величин (ед. ф. в.).

Однако введение ед. ф. в. возможно только для квантующихся физических свойств объектов и процессов, то есть только для свойств, которые можно количественно оценить, используя соответствующие ед. ф. в. (например, системы S1).

Следует заметить, что в настоящее время не все свойства удается оценить количественно. Так цвета, запахи, сортность некоторых материалов и изделий из них, качество продуктов питания и т. д. оцениваются органолептически, то есть субъективно.

Поэтому следует констатировать, что объективно значение физической величины можно оценить только выполняя измерения.

Правда при определенном опыте значения некоторых ф. в. можно оценить с помощью наших органов чувств (температуру, освещенность, длину и некоторых других), однако, перечень этих величин ограничен и субъективность их оценок очевидна.

Следовательно эмпирически только измерения позволяют получать объективную количественную информацию о физической величине.

Однако количественная информация о физической величине теряет смысл, если при измерении не соблюдены следующие два требования:

Требование 1. В результате измерений должно быть получено не просто число, а число именованное, то есть представленное в определенных единицах, общепринятых для данной физической величины. Это обеспечивает сопоставимость результатов измерений независимо от того, где, когда, кем и чем выполнялись измерения.

Требование 2. Результат измерения должен содержать оценку точности полученного значения физической величины.

В соответствии с изложенным под измерением понимают совокупность экспериментальных, а в некоторых случаях и вычислительных операций, имеющих целью получение значения физической величины.

Точность измерений. Под точностью измерений понимают качество измерений, обеспечивающее близость их результатов к истинному значению измеряемой физической величины, то есть – близость к нулю как систематических, так и случайных составляющих погрешностей измерений. Точность измерений – важнейшая обобщенная характеристика их качества и определяется следующими частными характеристиками качества.

Правильность измерений – качество измерений, обеспечивающее близость к нулю систематических погрешностей их результатов.

Сходимость измерений – качество измерений, обеспечивающее близость друг к другу результатов измерений, выполняемых в одинаковых условиях.

Достоверность измерений – качество измерений, обеспечивающее близость к нулю случайных (и принимаемых за случайные) погрешностей их результатов.

Воспроизводимость (сопоставимость) измерений – качество измерений, обеспечивающее близость друг к другу результатов измерений, выполняемых в различных условиях (в разное время, в различных местах, разными методами и средствами).

Измерение есть сравнение измеряемой величины с мерой (рис. 1.1). В зависимости от метода сравнения на выходе компаратора (К) вырабатывается сигнал. Например, при “нулевом” методе сравнения с помощью компаратора оператор фиксирует момент совпадения значения измеряемой величины (Х) и значения меры (Х₀), при этом мера должна быть регулируемой. Результат измерения снимается с меры, так как X=X₀. Так измеряют массу на рычажных весах с помощью набора гирь, то есть процедура взвешивания товара на весах есть процедура измерения массы этого товара.

Таким образом обязательными элементами измерительных процедур или структурных схем измерительных приборов, работающих на методах сравнения, являются мера и компаратор.

Измерение в принципе невозможно без меры.

 

 

1.3. СПОСОБЫ ЧИСЛОВОГО ВЫРАЖЕНИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ

И ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ

 

Для характеристики точности измерений пользуются понятием погрешности измерений. Поэтому очевидно, что чем меньше погрешность, тем измерение точнее. Практика измерений показывает, что избежать погрешностей невозможно. Поэтому в основе метрологии лежит тезис о неизбежности погрешности измерений.

Теория измерений опирается на следующие постулаты:

– существует истинное значение измеряемой величины;

– истинное значение измеряемой величины определить невозможно;

– истинное значение измеряемой величины постоянно.

Истинное значение физической величины – это значение физической величины, которое идеальным образом отражало бы в качественном отношении соответствующее свойство объекта.

Поэтому в результате измерений можно произвести только оценку степени приближения результата к истинному значению.

Важно заметить, что процесс оценки точности или погрешности зачастую оказывается значительно сложнее самих измерений, так как погрешность так же, как и результат, требуется оценивать количественно, а средств нет.

Действительно, недостаточно просто констатировать существование погрешностей или перечислить их, надо их представить в определенном числовом виде. Поэтому первоначальной задачей любого измерения является оценка его погрешности путем обработки результатов измерения Х.

Погрешностью измерения называют отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой физической величины.

Однако, поскольку истинное значение всегда неизвестно, если же его можно считать известным, то измерение не нужно, то практически можно найти лишь “приближенную” погрешность, то есть найти оценку погрешности измерения Х.

Для оценки погрешности измерения на практике пользуются действительным значением физической величины.

За действительное значение X_Д обычно принимают показание меры или образцового прибора, которое приближает значение физической величины к ее истинному значению.

Оценка абсолютной погрешности определяется как разница:

Δ ═ Х_i – _д. (1.1)

Абсолютная погрешность выражена в тех же единицах, что и сама измеряемая величина (X_i). Однако, ее значение во многих случаях не дает правильного представления о качестве измерения.

Для оценки качества измерения удобно пользоваться относительной погрешностью (), так как эта погрешность безразмерна

100%. (1.2)

Относительную погрешность принято выражать в процентах.

Таким образом по форме выражения погрешностей измерений различают погрешности и .

Относительная погрешность особенно удобна для сравнения качества измерений различных физических величин и погрешностей измерительных приборов, предназначенных для измерения различных физических величин.

Однако, основной задачей при вычислении относительной погрешности, является нахождение абсолютной.

Кроме этого, что не менее важно, для вычисления относительной погрешности по формуле (1.2) необходимо знать и действительное значение измеряемой физической величины, которое известно только при поверочных измерениях или при передаче размеров единиц физических величин от эталонов образцовым СИ, то есть при так называемых метрологических измерениях.

При технических измерениях ни действительное, ни тем более истинное значение физической величины неизвестно. Поэтому приходится относительную погрешность измерения оценивать с использованием косвенных данных. Например, пользуются отношением

_i = , (1.3)

где _i - называется оценкой относительной погрешности единичного наблюдения X_i.

Таким образом при обычных рабочих измерениях и при известной абсолютной погрешности (формула 1.1) можно вычислить только оценку относительной погрешности единичного наблюдения _i по формуле (1.3).

Если погрешности измерений характеризуют их несовершенство, то позитивной характеристикой измерений является их точность. Поэтому не следует отождествлять эти противоположные понятия. Это то же самое, что приравнять сопротивление проводимости.

Из ряда показателей качества различных технических изделий, таких как, надежность, долговечность, экономичность и др. – для измерительных средств важнейшим является показатель точности.

Материальной основой, обеспечивающей требуемую точность измерений, выполняемых во всех сферах деятельности человека, служат эталоны и образцовые СИ.

Однако точность измерения должна соответствовать цели измерения. Излишняя точность ведет к неоправданному расходу средств и времени на постановку точных измерений. Недостаточная точность измерения может привести к признанию, например при контроле, годным в действительности негодное изделие.

Количественно точность вычисляется как обратно пропорциональная величина модулю относительной погрешности:

.

Здесь _д – модуль относительной погрешности, то есть отношение абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой величины, не выраженное в процентах

 

 

1.4. КЛАССИФИКАЦИЯ ИЗМЕРЕНИЙ, МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ