Система обеспечения единства

Измерений

Основные понятия метрологии

Рассмотрим основные понятия метрологии: измерение, результат измерения, принцип и метод измерения, погрешность измерения.

Измерением называется нахождение физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств – средств измерений. В рамках данного курса основное внимание будет уделено измерению электрических величин. Измерение неэлектрических величин будет иметь вспомогательный характер. Любые измерения направлены на получение некоторого результата.

Результат измерений представляет собой числовое значение измеряемой величины и наименование единицы измерения. Числовое значение получается в результате сравнения физической величины с некоторым ее значением, принятым за единицу, например, 220 В.

!!! Пропуск единиц измерений является одной из самых грубых ошибок в оформлении расчетно-графических работ и отчетов к лабораторным работам.

Принцип измерений составляет совокупность физических явлений, на которых основаны измерения, например, явление электромагнитной индукции при измерении напряжения. В настоящее время учеными ведется разработка автоматизированных банков данных физических эффектов, полезных при нахождении новых методов измерений.

Метод измерений представляет собой совокупность приемов использования принципов и средств измерений, обеспечивающих сравнение измеряемой величины с единицей, например, метод амперметра-вольтметра при измерении сопротивления.

Алгоритм измерения – точное предписание о выполнении в определенном порядке совокупности операций, обеспечивающих измерение значения физической величины.

Методика измерений – детально намеченный план процесса измерений, регламентирующий методы, средства и алгоритмы проведения измерений, которые в определенных условиях обеспечивают измерения с заданной точностью.

Единица физической величины – это физическая величина, размеру которой присвоено числовое значение 1. В России в качестве обязательной действует Международная система единиц (СИ).

С какой бы высокой точностью не проводилось сравнение измеряемой величины с единицей, результат измерений будет содержать некоторую неточность, обусловленную влиянием различного рода факторов. Эта неточность характеризуется погрешностью.

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

Истинным значением физической величины называется значение физической величины, которое бы идеально отражало соответствующее свойство объекта. Поскольку истинное значение недостижимо, вместо него используют действительное значение.

Действительным значением физической величины называют значение, найденное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному значению, что при вычислении погрешности может быть использовано вместо него.

Результат измерения должен сопровождаться данными о его погрешности. Поскольку погрешность имеет вероятностный смысл, должна быть оценена и вероятность ее появления.

Классификация измерений

Измерения классифицируют по нескольким признакам. Это обусловлено разнообразием измеряемых величин, характером их изменения во времени, требованиями к погрешности и т.д. Виды измерения определяются физической природой измеряемой величины, требованиями к погрешности измерения, необходимой скоростью измерений, условиями измерений и т.д. Измерения могут иметь различные цели: контроль, диагностика, научные исследования, производственные испытания, поверка и т.д.

Основным уравнением измерения является

,

где x – измеренное значение величины,  – значение, принятое за образец (за единицу), k – отношение измеряемой величины к образцу.

Основные классификационные признаки измерений следующие:

– прием получения результатов измерений;

– форма выражения результатов измерений;

– метод измерения;

– способ преобразования измеряемой величины;

– характер изменения измеряемой величины во времени.

По способу нахождения измеряемой величины (приему получения результата измерений) измерения подразделяются на прямые, косвенные, совокупные и совместные. При измерении электрических величин в основном используются прямые и косвенные измерения.

Прямые измерения – это измерения, при которых искомое значение величины y находят непосредственно их опытных данных х: . Примером прямых измерений является измерение напряжения с помощью вольтметра.

Косвенные измерения – это измерения, при которых искомое значение величины y находят на основании известной математической зависимости между этой величиной и величинами , , … , полученными при прямых измерениях: . Примером косвенных измерений может послужить измерение сопротивления по измеренным значениям тока и напряжения.

По точности измерения делят на три группы.

1. Измерения максимально возможной точности, достижимой при существующем уровне науки и техники. К ним относятся измерения для создания эталона и измерения физических констант.

2. Контрольно-поверочные измерения, погрешность которых не должна превышать некоторых заданных значений. В эту группу входят измерения, выполняемые метрологическими службами с целью установления годности средств измерений к эксплуатации.

3. Технические измерения, в которых погрешность результата определяется характеристиками средств измерений, указанными в руководстве по эксплуатации, и оценивается до проведения измерений. Большинство измерений, выполняемых на предприятиях, занимающихся разработкой, исследованием и производством радиоэлектронной аппаратуры, а также в лабораториях учебных заведений, являются техническими.

Если измеряемая величина остается в процессе измерения постоянной, то такие измерения называют статическими. Если же она изменяется, измерения будут динамическими. Динамические измерения могут быть непрерывными и дискретными.

Различают абсолютные и относительные измерения.

Абсолютные измерения основаны на прямых измерениях физических величин, результат которых выражен в установленных для этой величины единицах.

Относительными называют измерения отношения одноименных величин. Примером могут послужить измерения модуля коэффициента отражения, амплитудно-частотной характеристики, которые выражают в разах, неперах, децибелах, отношение частот в октавах , декадах.

Процесс измерения состоит из четырех этапов: воспроизведение единицы измерения, преобразование исследуемого сигнала, сравнение измеряемой величины с единицей, фиксация результата сравнения.

По методу измерений различают измерения методом непосредственной оценки и методом сравнения. Среди методов сравнения различают нулевой, дифференциальный и метод замещения. Разновидностями метода замещения являются компенсационный и мостовой методы.

Таблица 2.1

Методы измерений

Метод	Сущность
непосредственной оценки	сравнение численного значения по показанию прибора
сравнения	сравнение измеряемой величины с воспроизводимой мерой
нулевой	действие измеряемой величины полностью уравновешивается мерой
дифференциальный	измерение разницы измеряемой величины и близкой по значению меры
Замещения	действие измеряемой величины замещается образцовой
компенсационный	действие измеряемой величины уравновешивается образцовой
мостовой	достижение нулевого тока в измерительной диагонали моста

Выбор метода определяется видом измеряемых величин, их размерами, требуемой точностью и быстротой измерения, условиями измерений и т.д.

По способу преобразования измеряемой величины бывают аналоговые и цифровые измерения.

Для аналоговых измерений характерно непрерывное преобразование измеряемой величины в перемещение стрелки относительно шкалы с помощью аналоговых электронных устройств.

Цифровые измерения выполняются путем автоматического сравнения измеряемой величины с мерой. Результат измерений представляется в цифровой форме, которая наиболее удобна для ввода в компьютер, а также для сложной математической обработки и индикации.

По характеру изменения измеряемой величины во времени различают статический и динамический режимы измерений.

В статическом режиме сигнал остается неизменным в течение времени исследования.

В динамическом режиме определяется функциональная зависимость измеряемой величины от времени.

В зависимости от метода и вида средства измерений все измерения могут выполняться на основе либо однократных, либо многократных наблюдений.

Наблюдение – единичная экспериментальная операция для получения одного из значений измеряемой величины, носящих случайный характер.