Современная метрология

Измерения, в которых искомая  величина определяется на основе прямых измерений основных физических величин системы и при использовании физических констант, называются абсолютными.

Косвенные измерения сложнее прямых, однако они широко применяются в  практике по следующими причинами -  прямые измерения практически невыполнимы или косвенное измерение позволяет получить более точный результат по сравнению с прямым измерением.

 

 

К совокупным относятся производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин.

 

 

К совокупным относятся, например, измерения, при которых массы отдельных гирь набора находят по известной массе одной из них и по результатам прямых сравнений масс различных сочетаний гирь.

 

Совместные  измерения — это производимые одновременно измерения двух или нескольких не одноименных величин для нахождения зависимости между ними.

Числовые значения искомых величии  при совокупных и совместных измерениях определяются из системы уравнений, связывающих значения искомых величин со значениями величин, измеренных прямым (или косвенным) способом.

 

Чтобы определить числовые значения искомых величин, необходимо получить по крайней мере столько уравнений, сколько имеется этих величин, хотя в общем случае число прямых измерений может быть и больше минимально необходимого.

Примером может служить задача экспериментального определения зависимости  сопротивления резистора от температуры.

АКСИОМЫ МЕТРОЛОГИИ

 

Первая  аксиома: без априорной информации измерение невозможно. Эта аксиома метрологии относится к ситуации перед измерением и говорит о том, что если об интересующем нас свойстве мы ничего не знаем, то ничего и не узнаем. Вместе с тем, если о нем известно все, то измерение не нужно. Таким образом, измерение обусловлено дефицитом количественной информации о том или ином свойстве объекта или явления и направлено на его уменьшение.

 

Вторая  аксиома: измерение есть не что иное, как сравнение. Эта аксиома относится к процедуре измерения и говорит о том, что нет иного экспериментального способа получения информации о каких бы то ни было размерах, кроме как путем сравнения их между собой. Народная мудрость, говорящая о том, что «все познается в сравнении», перекликается здесь с трактовкой измерения Л. Эйлером, данной свыше 200 лет назад:

«Невозможно определить или измерить одну величину иначе как приняв в качестве известной  другую величину этого же рода и  указав соотношение, в котором она  находится с ней».

 

Третья аксиома: результат измерения без округления является случайным. Эта аксиома относится к ситуации после измерения и отражает тот факт, что на результат реальной измерительной процедуры всегда оказывают влияние множество разнообразных, в том числе случайных, факторов, точный учет которых в принципе невозможен, а окончательный итог непредсказуем. Вследствие этого, как показывает практика, при повторных измерениях одного и того же постоянного размера либо при одновременном измерении его разными лицами, разными методами и средствами получаются неодинаковые результаты, если только не производить их округления (огрубления). Это отдельные значения случайного по своей природе результата измерения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Процессы измерений и погрешности  измерений

Факторы, влияющие на качество измерений 

Всякое измерение связано с  определением числовых значений физических величин, с помощью которых раскрываются закономерности исследуемых явлений

В метрологической практике основой  для измерения физической величины служит шкала измерений - упорядоченная совокупность значений физической величины.

Количественной характеристикой  измеряемой величины служит ее размер. Получение информации о размере физической или нефизической величины является содержанием любого измерения.

Простейший способ получения такой  информации, позволяющий составить  некоторое представление о размере  измеряемой величины, состоит в сравнении  его с другим по принципу «что больше (меньше)?» или «что лучше (хуже)?».

Характеристики и примеры шкал измерений

 

Для облегчения измерений по шкале  порядка некоторые точки на ней  можно зафиксировать в качестве опорных (реперных). Знания, например, измеряют по реперной шкале порядка, имеющей следующий вид: неудовлетворительно, удовлетворительно. хорошо, отлично. Точками реперной шкалы могут быть цифры, называемые баллами. Например, интенсивность землетрясений измеряется по двенадцатибалльной междуна-родной сейсмической шкале MSK-64 (табл. 2), сила ветра - по шкале Бофорта (табл. 3).

Международная сейсмическая шкала MSK 

Шкала Бофорта для измерения  силы ветра 

 

Любое измерение по шкале отношений (получение отсчета) состоит в  сравнении неизвестного размера  с известным и выражении первого  через второй в кратном или  дольном отношении.

Получение отсчета (либо принятие решения) — основная измерительная процедура.

Во всех этих случаях информация о размерах тех или иных физических величин, доставляемая с помощью  органов чувств, сравнивается с представлением о соответствующих единицах, и  неизвестные размеры выражаются через эти единицы в кратном или дольном отношении.

 

Во внимание должно приниматься  еще множество факторов, учет которых  представляет иногда довольно сложную  задачу. При подготовке и проведении высокоточных измерений в метрологической  практике учитывается влияние:

- объекта измерения;

- субъекта (эксперта, или экспериментатора);

- способа измерения;

- средства измерения;

- условий измерения.

 

Объект  измерения должен быть достаточно изучен. Перед измерением необходимо представить себе модель исследуемого объекта, которая в дальнейшем, по мере поступления измерительной информации, может изменяться и уточняться. Чем полнее модель соответствует измеряемому объекту или исследуемому явлению, тем точнее измерительный эксперимент.

Для измерений в экологии объект измерения — один из самых сложных моментов, потому что представляет собой переплетение многих взаимосвязанных параметров с большими индивидуальными «разбросами» измеряемых величин (на них, в свою очередь, оказывают влияние биологические «внешние» и «внутренние», географические, генетические, психологические, социально-экономические, техногенные и другие факторы).

 

Исследователь или  экспериментатор, вносит в процесс измерения элемент субъективизма, который по возможности должен быть уменьшен. Он зависит от квалификации измерителя, его психофизиологического состояния, соблюдения эргономических требований при измерениях и т.д. Все эти факторы заслуживают внимания.

К измерениям должны допускаться лица, прошедшие специальную подготовку, имеющие соответствующие знания, умения и практические навыки. В ответственных случаях их действия должны быть строго регламентированы.

 

Влияние средства измерений на измеряемую величину во многих случаях проявляется как возмущающий фактор. Включение электроизмерительных приборов приводит к перераспределению токов и напряжений в электрических цепях и тем самым оказывает влияние на измеряемые величины.

 

К числу влияющих факторов относятся  также условия измерений. Сюда входят температура окружающей среды, влажность, атмосферное давление, электрические и магнитные поля, напряжение в сети питания, тряска, вибрация и многое другое.

Общая характеристика влияющих факторов может быть дана под разными углами зрения: внешние и внутренние, случайные и неслучайные, последние — постоянные и меняющиеся во времени и т.д. и т.п. Один из вариантов классификации влияющих факторов приведен в табл. 4.

Классификация влияющих факторов

 

Априорные факторы (а) включают в себя:

1. Влияние на результат измерения  качества и количества информации  об измеряемом объекте. Чем ее больше, чем выше ее качество — тем точнее результат измерения. Накопление априорной информации — один из путей повышения точности результатов измерений.

2. Влияние того очевидного факта,  что модель не может в точности  соответствовать объекту.

3. Влияние теоретических допущений и упрощений, лежащих в основе метода измерений.

4. Влияние несовершенства измерительного  инструмента или прибора, которое  может быть как следствием  некачественного его изготовления, так и результатом длительной  эксплуатации. Отметка шкал показывающих приборов, например, не вполне точно соответствует измеряемым значениям. В процессе эксплуатации происходит старение материалов, возникает износ механизмов и деталей, развиваются люфты, зазоры, случаются скрытые метрологические отказы (выходы метрологических характеристик за пределы установленных для них норм). Понятно, что результат измерения находится в прямой зависимости от этих факторов.

 

 

В процессе измерения (б):

1. Неправильная установка и подготовка  к работе средств измерений, принцип действия которых в той или иной степени связан с механическим равновесием, приводит к искажению их показаний. К подобным средствам измерений относятся приборы, в конструкцию которых входит маятник, приборы с подвешенной подвижной частью и др. Многие из них для установки в правильное положение снабжаются уровнями (отвесами, ватерпасами).

2. Влияние средства измерений  на объект может до неузнаваемости  изменить реальную картину. Например, перераспределение токов и напряжений  в электрических цепях при подключении электроизмерительных приборов иногда оказывает заметное влияние на результат измерения.

3. Влияние климатических (температура  окружающей среды, относительная  влажность воздуха, атмосферное  давление), электрических и магнитных  (колебания силы электрического тока или напряжения в электрической сети, частоты переменного электрического тока, постоянные и переменные магнитные поля и др.), механических и акустических (вибрации, ударные нагрузки, сотрясения) факторов, а также ионизирующих излучений, газового состава атмосферы и т.п. принято относить к условиям измерений. Такие условия, влиянием которых на результат измерения можно пренебречь, называют нормальными.

4. Случайные внешние помехи и  внутренние шумы измерительных  приборов оказывают непредсказуемое совместное влияние на результат измерения, вследствие чего он имеет стохастическую природу.

5. Квалификация и психофизическое  состояние персонала (или оператора), выполняющего измерение (знания, умения и навыки, сосредоточенность,  внимательность, уравновешенность, добросовестность, самочувствие, острота зрения и многое другое), имеют большое значение.

 

После измерения —  апостериорные факторы (в):

1. От правильной обработки экспериментальных  данных во многом зависит результат  измерения.

2. Технические средства, используемые для обработки экспериментальных данных, не дают новой измерительной информации. Они лишь помогают с большим или меньшим успехом извлекать ее из экспериментальных данных и тем самым оказывают влияние на результат измерения.

3. Неграмотные или безответственные действия персонала (оператора) при обработке экспериментальных данных могут свести на нет любые усилия, затраченные на их получение.

Приведенные классификации далеко не исчерпывают всего многообразия факторов, влияющих на результат измерения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПОГРЕШНОСТИ  
И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

 

• Данные, полученные в процессе измерения,  дают результат измерения, который не может быть абсолютно точно равен истинному значению физической величины.

Основные разделы лекции

• Классификация погрешностей измерений
• Погрешности средств измерений и их нормирование
• Постановка задачи обработки результатов измерений
• Проверка гипотез

ПРИЧИНЫ ПОЯВЛЕНИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ

• Причиной появления погрешностей является:
• Несовершенство используемых средств измерений и неточность передачи рабочим средствам измерений размеров единиц соответствующих физических величин
• Несовершенство средств измерений проявляется как в случайных, незакономерных изменениях результата измерений при повторении эксперимента в одинаковых условиях, так и в изменениях результата измерения вследствие различия условий проведения эксперимента.
• Несовершенство применяемого метода измерения.
• В процессе измерения в большинстве случаев участвует человек, физиологическая ограниченность возможностей которого также может явиться причиной погрешности измерений.

 

Одна из главных задач метрологии — обеспечение  единства измерений может быть решена при соблюдении двух основополагающих условий:

— выражение  результатов измерений в единых узаконенных единицах;

— установление допустимых ошибок (погрешностей) результатов  измерений и пределов, за которые  они не должны выходить при заданной вероятности.

 

Погрешностью называют отклонение результата измерений от действительного (истинного) значения измеряемой величины. При этом:

— истинное значение физической величины считается  неизвестным и применяется в  теоретических исследованиях;