Виды и методы измерений. Основные характеристики измерений

где R20 - сопротивление резистора при t = 20°С; α, β - температурные коэффициенты. 
Для определения R20, α и β вначале измеряют сопротивление Rt, резистора, например, при трех различных значениях температуры (t1, t2, t3), а затем составляют систему из трех уравнений, по которой находят параметры R20, α и β:

Rt1=R20[1+α(t1-20)+β(t1-20)2]; 
 
Rt2=R20[1+α(t2-20)+β(t2-20)2];                              (1.7)

Rt3=R20[1+α(t3-20)+β(t3-20)2],                                                       
          
Косвенные, совместные и совокупные измерения объединены общим свойством: их результаты рассчитывают по известным функциональным зависимостям между измеряемыми величинами и величинами, определяемыми прямыми измерениями. Различие между этими измерениями заключается лишь в виде функциональной зависимости, используемой при расчетах. При косвенных измерениях эта зависимость выражается одним уравнением в явном виде (1.5), при совместных и совокупных - системой неявных уравнений типа (1.7). 
Вместе с тем, как следует из приведенных определений, совместные измерения основываются на известных уравнениях, отражающих существующие связи между измеряемыми величинами, а совокупные - на уравнениях, отражающих произвольное комбинирование величин. Следовательно, совместные измерения можно интерпретировать как обобщение косвенных, а совокупные - как обобщение прямых измерений. 

 В зависимости от выражения результатов измерений косвенные делят на абсолютные и относительные. Абсолютные измерения наиболее часто встречаются в практике радиоизмерений. Однако нередки и относительные измерения.

Абсолютные измерения основаны на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значений физических констант. Результат абсолютного измерения непосредственно выражают в единицах измеряемой величины.

Относительные измерения - это измерения соотношения определяемой величины к одноименной величине, играющей роль единицы. Относительные измерения при прочих равных условиях могут быть выполнены более точно, чем абсолютные, поскольку в суммарную погрешность не входит погрешность меры величины. 
Часто отношения величин выражают в логарифмических единицах (используются различные логарифмы: десятичный, натуральный и при основании 2). Логарифмические величины применяют для выражения усиления, ослабления, выражения частотного интервала и т.п. Наиболее удобен при относительных измерениях децибел (dB), определяемый, например, для сравнения напряжений U2 и U1: 
1dB=20lg(U2/U1)  при  U2/U1=101/20=1,122,

а для сравнения  мощностей Р2 и Р1:

1dB=10lg(P2/P1)   при P2/P1=101/10=1,259. 

Основные методы измерений

Конкретные  методы измерений определяются видом  измеряемых величин, их размерами, требуемой  точностью результата, быстротой  процесса измерения, условиями, при  которых проводятся измерения, и  рядом других признаков. Отметим, что  метод измерения должен по возможности  иметь минимальную погрешность и способствовать исключению систематических погрешностей или переводу их в разряд случайных. 
Современные методы измерений принято делить на метод непосредственной оценки и метод сравнения (рис. 1.2).

  

Рис. 1.2. Классификация  методов измерения        

При методе непосредственной оценки численное значение измеряемой величины определяют непосредственно по показанию измерительного прибора (например, измерение напряжения вольтметром, силы тока - амперметром). Быстрота процесса измерения методом непосредственной оценки делает его часто незаменимым на практике, хотя точность измерения обычно ограничена. 
Метод сравнения - метод измерений, при котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой (известно более сложное, классическое определение: метод сравнения - совокупность приемов использования физических явлений и процессов для определения соотношения однородных величин). Это может быть, например, измерение напряжения постоянного тока путем сравнения с ЭДС эталонного элемента. 
Приборы, реализующие измерение по методу сравнения, называют измерительными приборами сравнения. В отличие от приборов непосредственной оценки, удобных для получения оперативной информации, приборы сравнения обеспечивают большую точность измерений. 
Различают следующие разновидности метода сравнения: 
- нулевой метод, при котором действие измеряемой величины полностью уравновешивается образцовой; 
- дифференциальный метод, когда измеряют разницу между из меряемой величиной и близкой ей по значению эталонной; этот метод используется если практическое значение имеет отклонение измеряемой величины от номинального значения (уход частоты и т. д.); 
- метод замещения, при котором действие измеряемой величины замещают образцовой.

Нулевой метод  обеспечивает наибольшую точность измерений физической величины. Его разновидностями являются:

- компенсационный метод, при котором действие измеряемой величины компенсируется (уравновешивается) образцовой; 
- мостовой метод, когда достигают нулевого значения тока в измерительной диагонали моста, в которую включается чувствительный индикаторный прибор (обычно нульиндикатор).

По способу  преобразования измеряемой величины и  форме представления результата измерения делятся на аналоговые и цифровые. 
При аналоговых измерениях измерительный прибор непрерывно преобразует измеряемую величину, результатом которого является перемещение указателя относительно шкалы. Заключение о численном значении величины делает оператор, отмечая положение указателя относительно отметок шкалы прибора.

В случае цифровых измерений сравнение физической величины с рядом образцовых значений осуществляется в приборе автоматически, экспериментатор же получает численное значение измеренной величины в цифровой форме.

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

Статический режим измерений - режим, при котором средство измерений работает в статическом режиме, при этом выходной сигнал остается неизменным в течение времени его исследования или меняется очень медленно. 

Динамический режим измерений - режим, результатом которого является функциональная зависимость измеряемой величины от времени, т. е. когда выходной сигнал изменяется во времени в соответствии с изменением во времени измеряемой величины. Пример динамического измерения - определение мгновенных значений сигналов на протяжении какого-либо интервала времени.

В зависимости  от метода измерения и свойств  применяемых средств измерений  все виды измерений могут выполняться  либо с однократными, либо с многократными  наблюдениями.  
Наблюдением называется единичная экспериментальная операция, итог которой - результат наблюдения - всегда имеет случайный характер и представляет собой одно из значений измеряемой величины, подлежащей совместной обработке для получения результата измерения.

По характеристике точности измерения делят на равноточные и неравноточные. 
Равноточными называют измерения какой-либо физической величины, выполненные одним экспериментатором, одинаковыми по точности средствами измерений и в одних и тех же условиях. При равноточных измерениях предполагают, что дисперсии или средние квадратические отклонения (СКО) результатов всего ряда измерений равны между собой. 
Однако часто необходимо определить наиболее точную оценку измеряемой физической величины на основании результатов наблюдений, полученных несколькими операторами различной квалификации и опыта, в разных условиях, с применением различных методов, методик и средств измерений. Результаты таких наблюдений отличаются друг от друга, имеют различную точность, и их называют неравноточными. 
Методики обработки результатов равноточных и неравноточных измерений различны.

По необходимой  точности оценки погрешности измерения  делят на  следующие виды:

Измерения максимально  возможной точности, достижимой при существующем уровне техники. В этот класс включены все высокоточные измерения и в первую очередь эталонные измерения, связанные с максимально возможной точностью воспроизведения установленных единиц физических величин. Сюда относятся также измерения физических констант, прежде всего универсальных, например измерение абсолютного значения ускорения свободного падения.

Контрольно-поверочные измерения, погрешность которых с определенной вероятностью не должна превышать некоторого заданного значения. В этот класс включены измерения, выполняемые лабораториями государственного контроля (надзора) за соблюдением требований технических регламентов, а также состоянием измерительной техники и заводскими измерительными лабораториями. Эти измерения гарантируют погрешность результата с определенной вероятностью, не превышающей некоторого, заранее заданного значения.

Технические измерения, в которых погрешность результата определяется характеристиками средств измерений. Примерами технических измерений являются измерения, выполняемые в процессе производства на промышленных предприятиях, в сфере услуг и др.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Методики выполнения измерений

Методики  выполнения измерений (МВИ; иногда упрощенно методики измерений) - документированная совокупность операций и правил, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с гарантированной точностью в соответствии с принятой методикой. Как метрологический объект МВИ появились в 1972 г. При разработке Государственной системы обеспечения единства измерений, оказалось, недостаточно иметь средства измерений, характеристики которых удовлетворяют традиционным требованиям, так как погрешность измерения часто зависит от методики измерения: погрешности метода; погрешности, возникающей при отборе и приготовлении пробы; условий измерений и т. д. 
В методиках выполнения методики измерений разработчиком под персональную ответственность прописаны определенные численные значения погрешности измерений, которые гарантируются при выполнении всех требований документа. Из этого следует, что априорно существуют разные характеристики погрешности измерений, из которых разработчику придется выбирать наиболее подходящую. Совокупность операций и правил, обеспечивающая получение результатов измерений с известной погрешностью, подчеркивает два важных признака: МВИ представляет собой описание операций и в ней заранее предписывается погрешность измерения. 
Разрабатывают МВИ на основе исходных данных, которые включают: 
-назначение, где указываются область применения, наименование измеряемой физической величины и ее характеристики, а также характеристики объекта измерений, если они могут влиять; 
-требования к погрешности измерений; 
-условия измерений, заданные в виде номинальных значений и (или) границ диапазонов возможных значений влияющих величин; 
-вид индикации и формы представления результатов измерений; 
-требования к автоматизации измерительных процессов; 
-требования к обеспечению безопасности выполняемых работ; 
-другие требования, если в них есть необходимость. 
Аттестация МВИ - установление и подтверждение ее соответствия предъявляемым к ней метрологическим требованиям. Осуществляют аттестацию метрологической экспертизой документации, теоретических или экспериментальных исследований МВИ. Аттестованные МВИ подлежат метрологическому надзору и контролю. 
Как следует из определения, методика выполнения измерений представляет собой технологический процесс измерения. Поэтому не стоит смешивать МВИ и документ на МВИ, поскольку не все методики описаны соответствующим документом. Для измерений, проводимых с помощью простых показывающих приборов, не требуется особых документированных МВИ. В этих случаях достаточно в нормативной документации указать тип и основные метрологические характеристики средств измерений. Аттестация, как обязательная процедура, применяется для МВИ, используемых в сферах распространения государственного метрологического контроля и надзора, а также для контроля состояния сложных технологических систем. Другие МВИ подвергают аттестации в соответствии с порядком, принятым в соответствующем министерстве или на предприятии.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача

Определение погрешности  результата косвенных измерений

 

Для измерения  сопротивления  или мощности косвенным методом  использовались два прибора: амперметр  и вольтметр  магнитоэлектрической системы.

 

 

Определить:

а) величину сопротивления  и мощность по показаниям приборов;

б) максимальные абсолютные погрешности амперметра и вольтметра;

в) абсолютную погрешность  косвенного метода;

г) относительную погрешность  измерения;

д) пределы действительных значений измеряемых физических величин.

 

 

Наименование заданной величины	Значение величины
Предел измерения U ,В	250
Класс точности ,%	0,5
Показания вольтметра U, В	240
Предел измерения I , А	1.5
Класс точности ,%	1.0
Показание амперметра I, А	1,2

 

Методические указания

       При  косвенных измерениях искомое  значение величины y находится на основании математической зависимости, связывающей эту величину с несколькими величинами x , x , ……x , измеряемыми прямыми методами. При этом погрешности прямых измерений приводят к тому, что окончательный результат имеет погрешность.

          Максимальные абсолютные погрешности  амперметра и вольтметра определяются:

 

                                                                            I = ,

                                                                        U=

где - приведенная погрешность измерительного прибора, равная классу точности прибора;

I , U - номинальное значение тока и напряжения;

 

Формулы для расчета абсолютных и относительных погрешностей результата косвенных измерений:

 

Функция y	Погрешности
	абсолютная - y	Относительная - y
x * x
x / x

 

 

где x , x - измеренные значения электрических величин; , - максимальные абсолютные погрешности, допускаемые при измерении значений  x , x .Функция x * x