Основы теории и методики измерений

Основной постулат метрологии. Выше, при рас­смотрении количественной характеристики измеряе­мых величин, было упомянуто уравнение измерения, в котором отражена процедура сравнения неизвест­ного размера Q с известным [Q]: Q/[Q] = Х. B каче­стве единицы измерения [Q] при измерении физиче­ских величин выступает соответствующая единица Международной системы. Информация о ней зало­жена либо в градуированной характеристике СИ, либо в разметке шкалы отсчетного устройства, либо в значении вещественной меры. Указанное уравнение является математической моделью измерения по шкале отношений.

Теоретически отношение двух размеров должно быть вполне определенным, неслучайным числом. Но практически размеры сравниваются в условиях множества случайных и неслучайных обстоятельств, точный учет которых невозможен. Поэтому при мно­гократном измерении одной и той же величины по­стоянного размера результат, называемый отсчетом по шкале отношений, получается все время разным. Это положение, установленное практикой, формули­руется в виде аксиомы, являющейся основным по­стулатом метрологии: отсчет является случайным числом.

Факторы, влияющие на результат измерения (вли­яющие факторы). При подготовке и проведении вы­сокоточных измерений в метрологической практике учитывают влияние объекта измерения, и субъекта (эксперта или экспериментатора), метода измерения, средства измерения, условий измерения.

Объект измерения должен быть всесторонне изу­чен. Так, при измерении плотности вещества должно быть гарантировано отсутствие инородных включе­ний, при измерении диаметра вала нужно быть уве­ренным в том, что он круглый. В зависимости от ха­рактера объекта и цели измерения учитывают, (или отвергают) необходимость корректировки; измере­ний. Например, при измерении площадей сельскохо­зяйственных угодий пренебрегают кривизной земли, что нельзя делать при измерении поверхности океа­нов. При измерении периода обращения Земли во­круг Солнца можно заранее пренебречь его неравно­мерностью, а можно, наоборот, сделать ее объектом исследования.

Субъект, т. е. оператор, привносит в результат, из­мерения элемент субъективизма, который по возмож­ности должен быть сведен к минимуму. Он зависит от квалификации оператора, санитарно-гигиенических условий труда, его психофизиологического состоя­ния, учета эргономических требований при взаимодействии оператора с СИ. Санитарно-гигиенические условия включают такие факторы, как освещение, уровень шума, чистота воздуха, микроклимат.

Как известно, освещение может быть естествен­ным и искусственным. Наиболее благоприятным яв­ляется естественное освещение, производительность труда при котором на 10% выше, чем при искусст­венном. Дневной свет должен быть рассеянным, без бликов. Искусственное освещение помещений долж­но быть люминесцентным, рассеянным.

Люди с нормальным зрением способны различать мелкие предметы лишь при освещенности не менее 50—70 лк. Максимальная острота зрения наступает при освещенности 600—1000 лк. В оптимальных ус­ловиях продолжительность ясного видения (с хоро­шей остротой) при непрерывной работе составляет 3 ч. Уровень шума в лабораториях не должен превышать 40-45 дБ.

Важное значение имеют собранность, настрое­ние, режим труда эксперта. Наибольшая работоспо­собность отмечается в утренние и дневные часы — с 8 до 12 и с 14 до 17. В период с 12 до 14 ч и в вечер­ние часы работоспособность, как правило, снижает­ся, а в ночную смену она минимальна.

Измерительные приборы размещают в поле зре­ния оператора в зоне, ограниченной углами ±30° от оси в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Отсчетные устройства должны располагаться перпен­дикулярно линии зрения оператора. Оптимальное расстояние от шкалы до глаз оператора определяется высотой 'знака, подлежащего считыванию. По кон­трастности отметки шкал должны на порядок отли­чаться от фона.

Метод измерения. Очень часто измерение одной и той же величины постоянного размера разными мето­дами дает различные результаты, причем каждый из них имеет свои недостатки и достоинства. Искусство оператора состоит в том, чтобы соответствующими способами исключить, компенсировать или учесть факторы, искажающие результаты. Если измерение не удается выполнить так, чтобы исключить или компен­сировать какой-либо фактор, влияющий на результат, то в последний в ряде случаев вносят поправку.

Поправки могут быть аддитивными (от лат. additivus — прибавляемый) и мультипликативными (от лат. multipico — умножаю). Например, для расчета сопротивления измеряют значение электрического тока, протекающего через резистор, и падение на­пряжения на нем. При этом возможны два варианта включения вольтметра и амперметра и соответствен­но различные аддитивные поправки. В одном случае из показания амперметра нужно вычесть.ток, проте­кающий через вольтметр, в другом — из показания вольтметра нужно вычесть падение напряжения на амперметре. Другой пример (по учету мультиплика­тивной поправки): при измерении ЭДС вольтметром учитывают сопротивление источника питания путем умножения показания вольтметра на поправочный множитель, определяемый расчетным путем.

Влияние СИ на измеряемую величину во многих случаях проявляется как возмущающий фактор: На­пример, ртутный термометр, опущенный в пробирку с охлажденной жидкостью, подогревает ее и показы­вает не первоначальную температуру жидкости, а температуру, при которой устанавливается термоди­намическое равновесие. Другим фактором является инерционность СИ. Некоторые СИ дают постоянно завышенные или постоянно заниженные показания, что может быть результатом дефекта изготовления, некоторой нелинейности преобразования. Эти осо­бенности СИ выявляются при их метрологическом исследовании. По итогам устанавливается аддитив­ная или мультипликативная поправка в виде числа или функции, она может задаваться графиком, таб­лицей или формулой. Например, если вследствие де­фекта изготовления стрелка на шкале удлинений раз­рывной машины в исходном положении устанавли­вается не на нуле, а на делении 5 мм, то все результаты будут иметь систематическую погрешность 5 мм, на которую нужно делать аддитивную поправку при подсчете.

Условия измерения как влияющий на результат фактор включают температуру окружающей среды, влажность, атмосферное давление, напряжение в се­ти и многое другое.

Рассмотрев факторы, влияющие на результаты измерений, можно сделать следующие выводы: при подготовке к измерениям они должны по возможно­сти исключаться, в процессе измерения компенсиро­ваться, а после измерения учитываться.

Учет указанных факторов предполагает исключе­ние ошибок и внесение поправок к измеренным ве­личинам.

Появление ошибок вызвано недостаточной на­дежностью системы, в которую входят оператор, объ­ект измерения, СИ и окружающая среда. В данной системе могут происходить отказы аппаратуры, от­влечение внимания человека, описки в записях, сбои в аппаратуре, колебания напряжения в сети.

При однократном измерении ошибка может быть выявлена при сопоставлении результата с апри­орным представлением о нем или путем логического анализа. Измерения повторяют для устранения при­чины ошибки.

При многократном измерении одной и той же ве­личины ошибки проявляются в том, что результаты отдельных измерений заметно отличаются от осталь­ных. Если отличие велико, ошибочный результат не­обходимо отбросить. При этом руководствуются «правилом трех сигм»: если при многократном изме­рении сомнительный результат отдельного измере­ния отличается от среднего больше чем на 3s (s — среднее квадратичное отклонение значения измеряемой величины от среднего значения), то с вероят­ностью 0,997 он является ошибочным и его следует отбросить.

Качество измерений является главным фактором производства, базирующегося на быстропротекающих процессах, автоматических процессах, на боль­шом числе измеряемых величин. Нередко причиной брака продукции становятся неверно назначенные СИ (в первую очередь по точности). Бывает и так, что СИ вовсе не назначаются там, где это необходи­мо, из-за их отсутствия. Как показывает анализ, если весь брак, причиной которого являются недо­статки метрологической деятельности, принять за 100%, то брак продукции вследствие неправильно выбранных или совсем не назначенных СИ составит 48,5%; из-за неумелого применения СИ, отсутствия метрологически аттестованных методик измерения и низкой квалификации операторов — 46%; 5,5% обусловливается неисправностью СИ.