Виды и методы измерений. Основные характеристики измерений

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН Казахский Национальный университет  им.Аль-Фараби

СРС На  тему: Виды и методы измерений. Основные характеристики   измерений.

 

                                         

 

 

 

 

                                                                             Подготовила: Жабасова А.

                                                                                                  СМС-414гр                                       

                                                                              Проверила: Нурмуханова А.

 

 

 

Алматы 2013г.

Содержание:

1.Понятие  измерения………………………………………………………………………………2

2.Основные характеристики измерений………………………………………………..3

3. Виды измерений…………………………………………………………………………………….7

4. Основные методы измерений……………………………………………………………11

5. Методики выполнения измерений…………………………………………………….15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Понятие измерения

К общепринятым в метрологии определениям относят  следующие понятия: измерения, средства, принцип, вид, метод, методики и объект измерения, алгоритм измерения и  ряд других терминов. 
Измерением называют процесс нахождения значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Суть измерения описывают основным уравнением: 
 
X= А = kА₀ ,  (1.1)                         

где А - значение измеряемой физической величины; А₀ - значение величины, принятой за образец; k - отношение измеряемой величины к образцу. 
 
Наиболее удобен вид основного уравнения (1.1), если выбранная за образец величина равна единице. При этом параметр k представляет собой числовое значение измеренной величины, зависящее от принятого метода измерения и единицы измерения. 
Любое измерение заключается в сравнении путем физического эксперимента данной величины с некоторым ее значением, принятым за единицу сравнения и называемой мерой. 
Получаемую при измерениях информацию называют измерительной. Часто информация об объекте измерения известна до проведения измерений, что является важным фактором, обуславливающим их эффективность. Такую информацию называют априорной (полученной до проведения измерений). При полном отсутствии этой информации измерение в принципе невозможно, так как неизвестно, что же необходимо измерить, а следовательно, нельзя выбрать нужные средства измерений. 
При наличии априорной информации об объекте в полном объеме, т.е. при известном значении измеряемой величины, измерения попросту не нужны. Априорная информация определяет достижимую точность измерений, их качество и эффективность.

 

 

 

Основные характеристики измерений

Основными характеристиками измерений являются: результат и  погрешность. 
Результат измерений физической величины (кратко - результат измерения или, просто результат) - значение физической величины, полученное путем ее измерения. 
Часто в полученный результат вносят поправки. 
Поправка (англ. Correction) - значение физической величины, одноименной с измеряемой, которая вводится в результат измерения для исключения определенных, так называемых систематических составляющих погрешности что находит отражение в терминологии: 
- неисправленный результат измерения - измеренное значение физической величины, полученное до внесения поправок; 
-  исправленный результат измерения - измеренное значение физической величины и уточненное путем внесения в него необходимых поправок. 
Погрешность средства измерения - разность между показаниями средства измерения и истинным значением измеряемой физической величины. 
Качество измерений характеризуется точностью, правильностью, сходимостью и воспроизводимостью, достоверностью, а также размером допускаемых погрешностей.

Качество измерений - совокупность свойств, обусловливающих получение результатов с требуемыми точностными характеристиками, в необходимом виде и установленные сроки.

Точность результата измерений - одна из характеристик качества измерений, отражающая близость к нулю погрешности результата измерения. Высокая точность измерения соответствует малым погрешностям. Количественно точность оценивают обратной величиной модуля относительной погрешности, например, если относительная погрешность составляет 0,01, то точность равна 100.

Правильность измерений - характеристика, отражающая близость к нулю систематических погрешностей результатов измерений.

Сходимость результатов измерений - близость друг к другу результатов измерений одной и той же величины, выполненных повторно одними и теми же средствами, одним и тем же методом, в одинаковых условиях и с одинаковой тщательностью.

Воспроизводимость - близость результатов измерений одной и той же физической величины, полученных в разных местах, разными методами и средствами, разными операторами, в разное время, но приведенных к одним и тем же условиям (температура, давление, влажность и др.).

Достоверность - характеристика качества измерений, отражающая доверие к их результатам, которая определяется доверительной вероятностью РД того, что истинное значение измеряемой величины находится в некотором заданном интервале. Подобный интервал называют доверительным и между его границами с заданной доверительной вероятностью       

Pn(Xn≤Xi≤Xb)=1-q   (1.2)

находится истинное значение Xi оцениваемого параметра. 
В (1.2) параметр q - уровень значимости ошибки; Xн, Xв - нижняя и верхняя границы доверительного интервала. 
В зависимости от того, насколько известны вероятностные характеристики их отклонения от действительного значения измеряемых величин, измерения делят на достоверные и недостоверные. 
Принцип измерений - совокупность физических явлений, на которых основаны измерения.

Метод измерений - совокупность приемов использования принципов и средств измерений. Это достаточно общее определение на практике часто конкретизируют, относя его только к применяемым средствам измерения, например, метод измерения частоты частотомером, напряжения - вольтметром.

Методика выполнения измерения - общий или поэтапный план проведения измерения - намеченный распорядок измерений, определяющий состав применяемых приборов, последовательность и правила проведения операций.

Объект измерения - реальный физический объект, свойства которого характеризуются одной или несколькими измеряемыми физическими величинами.

Алгоритм измерения - точное предписание о порядке выполнения операций, обеспечивающих измерение физической величины.

Математическая модель объекта  измерения - совокупность математических символов (образов) и отношений между ними, которая адекватно описывает интересующие человека свойства объекта измерения. 
На практике необходимо проводить измерения различных физических величин, характеризующих свойства веществ, объектов, тел, явлений и процессов. Некоторые свойства проявляются только количественно,   другие качественно.   Количественные   или   качественные проявления любого свойства отражаются множествами, которые образуют шкалы измерения.

Шкала физической величины - упорядоченная последовательность значений физической величины, принятая по результатам точ-ных измерений.

Отметка шкалы - знак на шкале прибора (черточка, точка), соответствующий некоторому значению физической величины. Для цифровых шкал отметками являются числа. Промежуток между соседними отметками называют делением шкалы. Отметки наносятся на шкалу при градуировке прибора, т. е. при подаче на его вход сигнала с выхода образцовой многозначной меры.

Указатель - часть отсчетного устройства, положение которого относительно отметок шкалы определяет показания измерительного прибора.

Среди шкал следует выделить три основных типа: шкалы наименований, интервалов и  абсолютные шкалы. 
1. Шкала наименований (шкала классификации) основана на приписывании объекту цифр (знаков), играющих роль простых имен. 
Нумерация объектов по шкале наименований осуществляется по принципу: не приписывай одну и ту же цифру разным объектам. Поэтому с цифрами шкал наименований, используемыми только как специфические имена, нельзя проводить никаких арифметических действий.

2. Шкала интервалов (шкала разностей) отражает разность значений физической величины. К таким шкалам относятся, например, температурные шкалы Цельсия, Фаренгейта и Реомюра. На температурной шкале Цельсия за начало отсчета разности температур принята температура таяния льда.

3. Абсолютные шкалы имеют естественное однозначное определение единицы измерения и не зависят от принятой системы единиц измерения.

Данные шкалы  соответствуют относительным величинам: коэффициенту усиления, коэффициенту ослабления и т. д.

Цена деления шкалы - разность значений измеряемой величины, соответствующих соседним отметкам шкалы.

Поверка - определение специальным органом метрологической службы метрологических характеристик средства измерения и установление его пригодности к применению по результатам контроля их соответствия предъявляемым требованиям. Основная характеристика, определяемая при поверке прибора, - его погрешность.        

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Виды измерений

Виды измерений  определяются физическим характером измеряемой величины, требуемой точностью и  необходимой скоростью измерений, условиями и режимом измерений и пр.

Целью классификации является удобство выделения методических погрешностей измерений, возникающих при определении результатов измерений. 
Можно выделить виды измерений в зависимости от их цели: контрольные, диагностические и прогностические, лабораторные и технические, эталонные и поверочные; от характера результата: абсолютные, относительные и т. д.

Наиболее  широко применяется классификация  по общим приемам получения результатов  измерений, согласно которой измерения делятся на прямые, косвенные, совместные и совокупные.         

Прямыми называются измерения, при которых искомое значение величины находят непосредственно по показаниям средства измерения. Аналитически прямые измерения записывают в виде

А= X,                                                        (1.3)

где X, - значение величины, найденное путем ее измерения  и называемое результатом измерения. 
В современных микропроцессорных измерительных приборах очень часто вычисление измеряемой величины производится внутри самого прибора. В этом случае результат измерения определяется способом, характерным для прямых измерений, и нет необходимости и возможности отдельного учета методической погрешности расчета результата измерения. Она входит в погрешность измерительного прибора. Измерения, проводимые такого рода средствами измерений, относятся к прямым.

Косвенные измерения - это измерения, при которых значение измеряемой величины находят на основании известной зависимости между ней и величинами, определяемыми прямыми измерениями, которые проводились в одинаковых условиях. Косвенные измерения можно охарактеризовать следующей формулой:                    

A=ƒ(x1,x2, ... ,xm),                                       (1.4)

где x1,x2, ... ,xm - результаты прямых измерений величин, связанных функциональной зависимостью  с искомым значением измеряемой величины  А.

К косвенным относятся только такие измерения, при которых расчет осуществляется вручную или автоматически, но после получения результатов прямых измерений. При этом может быть учтена отдельно погрешность расчета. Характерный пример этого - измерения с помощью измерительных систем, для которых нормированы метрологические характеристики их компонентов по отдельности. Суммарная погрешность измерений рассчитывается по нормированным метрологическим характеристикам всех компонентов системы. К косвенным измерениям относится определение резонансной частоты колебательного контура по результатам прямых измерений емкости и индуктивности и т.д.

Совокупными называют проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин (среди них могут быть и известные величины), при которых их значения находят решением системы уравнений, 
получаемых при прямых или косвенных измерениях       различных сочетаний этих величин.

 
 
Рис.1.1 К методу совокупных измерений различных сочетаний этих величин

На практике могут измеряться несколько комбинаций значений величин. Например, измеряя  сопротивления Rah, Rас и Rbc между вершинами треугольника электрической цепи, в котором соединены  сопротивления   резисторов 
R1 R2 и R3 (рис. 1.1), и решая систему уравнений типа (1.4), можно определить искомые значения сопротивлений R1 R2 и R3 методом совокупных измерений:

Rah=(R1(R2+R3))/(R1+R2+R3); 
 
Rac=(R2(R1+R3))/(R1+R2+R3);                        (1.5) 
 
Rbc=(R3(R1+R2))/(R1+R2+R3); 
 
 
Совместными называются проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для установления зависимости между ними. 
Как видно из приведенных определений, совокупные и совместные измерения по характеру весьма близки друг к другу. В обоих случаях искомые значения находят в результате решения системы уравнений, коэффициенты в которых получены путем прямых измерений. Отличие состоит в том, что при совокупных измерениях одновременно определяют несколько одноименных величин, а при совместных - разноименных. Совокупные и совместные измерения часто применяют при измерениях различных параметров и характеристик в электротехнике. 
Наиболее известный пример совместных измерений - определение зависимости сопротивления резистора от температуры: 
 
Rt=R20[1+α(t-20)+β(t-20)2]                              (1.6)