Поняття про вимірювання. Види і методи вимірювання

Вимірювання – процес отримання дослідним шляхом числового відношення між вимірюваною величиною і деяким її значенням, прийнятим за одиницю порівняння.

Зв’язок між вимірюваною величиною W, одиницею її вимірювання e і числовим значенням вимірюваної величини A в прийнятій одиниці можна виразити співвідношенням:

W=Ae, (2.1)

З цього рівняння виходить, що значення А залежить від розмірів вибраної одиниці вимірювання.

За методом одержання числового значення шуканої величини вимірювання поділяються на прямі та непрямі.

При прямих виміраюваннях результат визначається безпосередньо в тих одиницях, що і вимірювана величина. І тоді

W=Z, (2.2)

де Z - результат безпосереднього вимірювання.

До прямих вимірюваннь відносяться вимірювання довжини вимірювальною лінійкою (рулеткою), штангенциркулем, мікрометром і т.п., тиску – манометром, барометром, вакуумметром, температури – термометром.

До непрямих вимірюваннь відносяться такі, які отримують на основі прямих вимірюваннь декількох інших величин, пов’язаних з шуканою визначеною залежністю, а саме:

W=f(x,y,z,…), (2.3)

де x,y,z,… - величини, виміряні прямим способом.

До непрямих вимірюваннь відносяться, наприклад, вимірювання теплоти, виділеної електронагрівачем, теплоємності речовини, витрати рідини чи газу за перепадом тиску в стискуючому пристрої і т.д.

В залежності від призначення і вимог, які ставляться до точності вимірюваннь, останні поділяються на лабораторні і технічні.

Процес вимірювання, методи його проведення і засоби вимірювання залежать від вимірюваної величини. При теплотехнічних вимірюваннях широко використовуються такі методи:

- безпосередньої оцінки;

- порівняння з мірою;

- нульовий.

При безпосередній оцінці значення вимірюваної величини визначається по відліковому пристрої вимірювального приладу, наприклад, сили струму – за шкалою амперметра, надлишкового тиску – за шкалою манометра, температури – за шкалою термометра і т.д.

Метод порівняння з мірою реалізується при вимірюванні довжини вимірювальною лінійкою, об’єму речовини – вимірювальною ємністю і т.д.

Нульовий метод полягає в тому, що ефект дії вимірюваної величини повністю зрівноважується ефектом відомої величини і їх взаємодія зводиться до нуля, наприклад, вимірювання ЕРС термопари з використанням нормального елемента і реохорда.

 

Відомості про засоби вимірювання

Засоби вимірювання – це технічні засоби, які використовуються при вимірюваннях і мають нормовані метрологічні характеристики - характеристики властивостей засобів вимірювання, що впливають на результати і похибки вимірювання.

До засобів вимірювання відносяться: міри, вимірювальні прилади, вимірювальні перетворювачі і вимірювальні пристрої.

Міра - засіб вимірювання, за допомогою якого відтворюється фізична величина заданого розміру. Це, наприклад, гиря - міра маси, вимірювальний резистор - міра електричного опору, температурна лампа - міра яркісної або колірної температури і т.д.

Вимірювальний прилад - засіб заміру, за допомогою якого виробляється сигнал вимірювальної інформації у формі, доступній для безпосереднього сприйняття.

За характером індикації результатів виміру технічні вимірювальні прилади поділяють на показуючі і самопишучі.

Крім того, вимірювальні прилади поділяють на прилади прямої дії, якщо передбачено одне або декілька перетворень сигналу вимірювальної інформації в одному напрямку (манометр, ртутний термометр), та інтегруючої дії, якщо величина, що підводиться, підлягає інтегруванню за часом чи іншій незалежній змінній (лічильник рідини, газу, електролічильник).

Вимірювальні перетворювачі - засоби вимірювань, в яких виробляється сигнал вимірювальної інформації в формі, зручній для передачі, подальшого перетворення та обробки.

Вимірювальні пристрої - засоби вимірювань, які складаються з вимірювальних приладів та вимірювальних перетворювачів (витратоміри, термопари, термометри опору).

В залежності від призначення і ролі, що виконується засобами вимірювання, вони поділяються на три категорії:

- робочі (міри, вимірювальні прилади та перетворювачі);

- зразкові (міри, вимірювальні прилади та перетворювачі);

- еталони.

Робочі засоби вимірювання призначені для практичних щоденних вимірів і поділяються на лабораторні та технічні.

Зразкові засоби вимірювання призначені для повірки та градуювання робочих.

Еталони - міри, вимірювальні прилади, та початкові перетворювачі, які служать для відтворення та зберігання одиниць вимірювання з найвищою (метрологічною) точністю, що досягається при даному рівні розвитку науки та техніки, а також для повірки зразкових засобів вимірювання.

 

Загальні дані про точність вимірювання і похибки вимірюваннь

Степінь наближення результатів вимірювання до істинного значення вимірюваної величини називають точністю вимірювання.

Достовірність вимірювання кількісно оцінюють величиною похибки.

Похибка вимірювання викликається недосконалістю методів та засобів вимірювання, непостійністю умов спостереження і субєктивними похибками спостерігача.

Похибки поділяються на систематичні, випадкові і грубі (промахи).

Систематичні - такі, які залишаються постійними чи змінюються за певним законом. Систематичні похибки можуть виникнути внаслідок старіння приладу, його зношеності, неточності виготовлення шкали, через неправильну установку приладу, (за рахунок впливу навколишнього середовища, атмосферного тиску, вологості повітря, зовнішних магнітних та електричних полів), а також за рахунок прийнятих допусків та спрощень в самому методі вимірювання.

Так як причини, що викликають систематичні похибки, в більшості випадків відомі, то ці похибки в принципі можуть бути компенсовані введенням поправок до показів приладів, зміною методу вимірювання і т.д.

Випадкові похибки викликаються великою кількістю випадкових причин, дія яких на кожне значення виміру різна і не може бути попередньо врахована. Ці похибки даються взнаки при багатократних (повторних) вимірюваннях однієї і тієї ж величини.

Хоча позбутися випадкових похибок неможливо, математична теорія випадкових явищ дозволяє зменшити вплив цих похибок на кінцевий результат вимірювання і встановити розумне значення похибки. Чим менше значення похибки ми хочемо одержати, тим більше вимірюваннь треба провести.

Грубі похибки - помилки, допущені в процесі вимірювання, які суттєво перевищують очікувані похибки при даних умовах. Це, як правило, помилки експериментатора або викликані несправністю засобів вимірювання.

Кількісно точність вимірювання можна оцінити значенням абсолютної DW, відносної dW або приведеної g похибки.

Абсолютною похибкою вимірювання DW називається алгебраїчна різниця між значенням W_i, отриманим при вимірюванні, та істинним значенням W вимірюваної величини, тобто:

DW= W_i-W.

Відносна похибка dW виражається у відсотках від значень вимірюваної величини:

dW=±100W/W_i, (2.4)

Приведена похибка g - похибка, виражена у відсотках від якого-небуть нормуючого значення, частіше всього від діапазону вимірювання W_N, визначеного робочою частиною шкали пристрою:

g = ±100DW/W_N. (2.5)

Абсолютні похибки можуть бути додатніми і від’ємними. Якщо прилад показує завищені дані, то похибка додатня. Віднімаючи від результату вимірювання величину похибки ми отримуємо точний результат.

Якщо прилад занижує покази, то похибка від’ємна. Точне значення величини отримаємо додавши до показів величину похибки.

 

Клас точності приладу

Узагальненою характеристикою засобів вимірювання є клас точності К приладу. Клас точності визначається межами основної і додаткової похибки. Найчастіше клас точності приймається чисельно рівним основній допустимій приведеній похибці, вираженій у відсотках, тобто:

К= ç g ç.

Основна похибка – похибка, притаманна засобу вимірювання, при нормальних умовах використання (t=20⁰С±5%, атмосферному тиску 760 мм.рт.ст., заданій напрузі джерела живлення і нормальному робочому положенні).

Додаткова похибка – похибка, що виникає при відхиленні однієї з впливаючих величин за межі встановлені для нормальної області їх значеннь.

Проте, слід відзначити, що клас точності приладу не є безпосереднім показником точності вимірювання.

Конкретні класи точності встановлюються в стандартах на окремі види засобів вимірювання. Чим менше число, що позначає клас точності приладу, тим менші межі допустимої основної похибки.

Клас точності присвоюється приладу при його виготовленні і вказується на його шкалі.

Стандартний ряд класів точності встановлений ГОСТ 8.401-80. Наприклад, клас точності 0,5 означає, що найбільша допустима похибка для даного приладу складає 0,5% від діапазона шкали приладу.