Классификация измерений по способу получения результатов измерения

Классификация видов измерений

Измерения различают по способу получения информации, по характеру изменений измеряемой величины в процессе измерений, по количеству измерительной информации, по отношению к основным единицам.

По способу получения информации измерения разделяют на прямые, косвенные, совокупные и совместные.

Прямые измерения – это непосредственное сравнение физической величины с ее мерой. Например, при определении длины предмета линейкой происходит сравнение искомой величины (количественного выражения значения длины) с мерой, т. е. линейкой.

Косвенные измерения – отличаются от прямых тем, что искомое значение величины устанавливают по результатам прямых измерений таких величин, которые связаны с искомой определенной зависимостью. Так, если измерить силу тока амперметром, а напряжение вольтметром, то по известной функциональной взаимосвязи всех трех величин можно рассчитать мощность электрической цепи.

Совокупные измерения – сопряжены с решением системы уравнений, составляемых по результатам одновременных измерений нескольких однородных величин. Решение системы уравнений дает возможность вычислить искомую величину.

Совместные измерения – это измерения двух или более неоднородных физических величин для определения зависимости между ними.

Совокупные и совместные измерения часто применяют в измерениях различных параметров и характеристик в области электротехники.

По характеру изменения измеряемой величины в процессе измерений бывают статистические, динамические и статические измерения.

Статистические измерения связаны с определением характеристик случайных процессов, звуковых сигналов, уровня шумов и т. д. Статические измерения имеют место тогда, когда измеряемая величина практически постоянна.

Динамические измерения связаны с такими величинами, которые в процессе измерений претерпевают те или иные изменения. Статические и динамические измерения в идеальном виде на практике редки.

По количеству измерительной информации различают однократные и многократные измерения.

Однократные измерения – это одно измерение одной величины, т. е. число измерений равно числу измеряемых величин. Практическое применение такого вида измерений всегда сопряжено с большими погрешностями, поэтому следует проводить не менее трех однократных измерений и находить конечный результат как среднее арифметическое значение.

Многократные измерения характеризуются превышением числа измерений количества измеряемых величин. Преимущество многократных измерений – в значительном снижении влияний случайных факторов на погрешность измерения.

По используемому методу измерения – совокупности приемов использования принципов и средств измерений различают:

• метод непосредственной оценки;
• метод сравнения с мерой;
• метод противопоставления;
• метод дифференциальный;
• метод нулевой;
• метод замещения;
• метод совпадений.

По условиям, определяющим точность результата, измерения делятся на три класса: измерения максимально возможной точности, достижимой при существующем уровнетехники; контрольно-поверочные измерения, погрешность которых не должна превышать некоторое заданное значение; технические (рабочие) измерения, в которых погрешность результата измерения определяется характеристиками средств измерений.

Источник

Классификация измерений по способу получения результатов измерения

Измерение является важнейшим понятием в метрологии. Это организованное действие человека, выполняемое для количествен-ного познания свойств физического объекта с помощью определения опытным путем значения какой-либо физической величины [20].

Существует несколько видов измерений. При их классификации обычно исходят из характера зависимости измеряемой величины от времени, вида уравнения измерений, условий, определяющих точность результата измерений и способов выражения этих результатов.

По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения разделяются на

• статические, при которых измеряемая величина остается постоянной во времени;
• динамические, в процессе которых измеряемая величина изменяется и является непостоянной во времени.

Статическими измерениями являются, например, измерения размеров тела, постоянного давления, динамическими — измерения пульсирующих давлений, вибраций.

По способу получения результатов измерений их разделяют на

Прямые — это измерения, при которых искомое значение физической величины находят непосредственно из опытных данных. Прямые измерения можно выразить формулой , где — искомое значение измеряемой величины, а — значение, непосредственно получаемое из опытных данных.

При прямых измерениях экспериментальным операциям подвергают измеряемую величину, которую сравнивают с мерой непосредственно или же с помощью измерительных приборов, градуированных в требуемых единицах. Примерами прямых служат измерения длины тела линейкой, массы при помощи весов и др. Прямые измерения широко применяются в машиностроении, а также при контроле технологических процессов (измерение давления, температуры и др.).

Косвенные — это измерения, при которых искомую величину определяют на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям, т.е. измеряют не собственно определяемую величину, а другие, функционально с ней связанные. Значение измеряемой величины находят путем вычисления по формуле , где — искомое значение косвенно измеряемой величины; — функциональная зависимость, которая заранее известна, — значения величин, измеренных прямым способом.

Примеры косвенных измерений: определение объема тела по прямым измерениям его геометрических размеров, нахождение удельного электрического сопротивления проводника по его сопротивлению, длине и площади поперечного сечения.

Косвенные измерения широко распространены в тех случаях, когда искомую величину невозможно или слишком сложно измерить непосредственно или когда прямое измерение дает менее точный результат. Роль их особенно велика при измерении величин, недоступных непосредственному экспериментальному сравнению, например размеров астрономического или внутриатомного порядка.

Совокупные — это производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомую определяют решением системы уравнений, получаемых при пря-мых измерениях различных сочетаний этих величин.

Примером совокупных измерений является определение массы отдельных гирь набора (калибровка по известной массе одной из них и по результатам прямых сравнений масс различных сочетаний гирь).

Пример. Необходимо произвести калибровку разновеса, состоящего из гирь массой 1, 2, 2*, 5, 10 и 20 кг (звездочкой отмечена гиря, имеющая то же самое номинальное значение, но другое истинное). Калибровка состоит в определении массы каждой гири по одной образцовой гире, например по гире массой 1 кг. Для этого про-ведем измерения, меняя каждый раз комбинацию гирь (цифры показывают массу отдельных гирь, — обозначает массу образцовой гири в 1 кг):

и т.д.

Буквы означают грузики, которые приходится прибавлять или отнимать от массы гири, указанной в правой части уравнения, для уравновешивания весов. Решив эту систему уравнений, можно определить значение массы каждой гири.

Совместные — это производимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для нахождения зависимостей между ними.

В качестве примера можно назвать измерение электрического сопротивления при 20 0 С и температурных коэффициентов измерительного резистора по данным прямых из-мерений его сопротивления при различных температурах.

По условиям, определяющим точность результата, измерения делятся на три класса:

1. Измерения максимально возможной точности, достижимой при существующем уровне техники.

К ним относятся в первую очередь эталонные измерения, связанные с максимально возможной точностью воспроизведения установленных единиц физических величин, и, кроме того, измерения физических констант, прежде всего универсальных (например абсолютного значения ускорения свободного падения, гиромагнит-ного отношения протона и др.).

К этому же классу относятся и некоторые специальные изме-рения, требующие высокой точности.

2. Контрольно-поверочные измерения, погрешность которых с определенной вероятностью не должна превышать некоторого за-данного значения.

К ним относятся измерения, выполняемые лабораториями государственного надзора за внедрением и соблюдением стандартов и состоянием измерительной техники и заводскими измерительными лабораториями, которые гарантируют погрешность результата с определенной вероятностью, не превышающей некоторого, заранее заданного значения.

3. Технические измерения, в которых погрешность результата определяется характеристиками средств измерений.

Примерами технических измерений являются измерения, выполняемые в процессе производства на машиностроительных предприятиях, на щитах распределительных устройств электрических станций и др.

По способу выражения результатов измерений различают абсолютные и относительные измерения.

Абсолютными называются измерения, которые основаны на прямых измерениях одной или нескольких основных величин или на использовании значений физических констант.

Примером абсолютных измерений может служить определение длины в метрах, силы электрического тока в амперах, ускорения свободного падения в метрах на секунду в квадрате.

Относительными называются измерения отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.

В качестве примера относительных измерений можно привести измерение относительной влажности воздуха, определяемой как отношение количества водяных паров в 1 м 3 воздуха к количеству водяных паров, которое насыщает 1 м 3 воздуха при данной температуре.

Основными характеристиками измерений являются: принцип измерений, метод измерений, погрешность, точность, правильность и достоверность.

Принцип измерений — физическое явление или совокупность физических явлений, положенных в основу измерений. Например, измерение массы тела при помощи взвешивания с использованием силы тяжести, пропорциональной массе, измерение температуры с использованием термоэлектрического эффекта.

Метод измерений — совокупность приемов использования принципов и средств измерений. Средствами измерений являются используемые технические средства, имеющие нормированные метрологические свойства.

Погрешность измерений — разность между полученным при измерении X’ и истинным Q значениями измеряемой величины:

Погрешность вызывается несовершенством методов и средств измерений, непостоянством условий наблюдения, а так-же недостаточным опытом наблюдателя или особенностями его органов чувств.

Точность измерений — это характеристика измерений, отражающая близость их результатов к истинно-му значению измеряемой величины.

Количественно точность можно выразить величиной, обратной модулю относительной погрешности:

Например, если погрешность измерений равна , то точность равна .

Правильность измерения определяется как качество измерения, отражающее близость к нулю систематических погрешностей результатов (т.е. таких погрешностей, которые остаются постоян-ными или закономерно изменяются при повторных измерениях одной и той же величины). Правильность измерений зависит, в част-ности, от того, насколько действительный размер единицы, в ко-торой выполнено измерение, отличается от ее истинного размера (по определению), т.е. от того, в какой степени были правильны (верны) средства измерений, использованные для данного вида измерений.

Важнейшей характеристикой качества измерений является их достоверность; она характеризует доверие к результатам измерений и делит их на две категории: достоверные и недостоверные, в зависимости от того, известны или неизвестны вероятностные характеристики их отклонений от истинных значений соответствующих величин. Результаты измерений, достоверность которых неизвестна, не представляют ценности и в ряде случаев могут служить источником дезинформации.

Наличие погрешности ограничивает достоверность измерений, т.е. вносит ограничение в число достоверных значащих цифр числового значения измеряемой величины и определяет точность измерений.

Источник

Классификация измерений. 1. По способу получения информации существует 4 вида — прямые, косвенные, совокупные и совместные измерения

1. По способу получения информации существует 4 вида — прямые, косвенные, совокупные и совместные измерения. Прямые — искомое значение определяется непосредственным сравнением с мерой (линейка, вольтметр). Косвенные — искомое значение определяется по результатам прямых измерений других величин, связанных с искомой известной зависимостью (мощность как результат измерения силы тока и напряжения). Совокупные — искомое значение определяется решением системы уравнений по результатам прямых (или косвенных) измерений нескольких однородных величин (взаимоиндуктивнoсть между двумя катушками со сложением и вычитанием магнитных полей). Совместные — нахождение зависимости между несколькими неоднородными физическими величинами (температурная зависимость сопротивления терморезистора с определением коэффициентов уравнения для различных температур).

2. По характеру изменения измеряемой величины в процессе измерений существует 3 вида — статические, динамические и статистические.

3. По количеству измерительной информации — однократные и многократные.

4. По отношению к основным единицам — абсолютные (как правило, прямые измерения основных физических величин), относительные (отношения однородных величин).

5. По точности определения результата измерения — эталонные, рабочие.

Классификация средств измерений, реализующих по совокупности виды измерений, описанные выше.

1. Основным видом средств измерений является мера, предназначенная для воспроизведения физической величины заданного размера (гиря, лампа, генератор). Меры бывают однозначные, многозначные (линейка) и в виде набора (плоскопараллельных концевых мер длины). Особый класс мер — стандартные образцы состава и свойств веществ и материалов, особенно величины для физико-химических измерений в металлургии, медицине, экологии, производстве продуктов и т. п.

2. Измерительные приборы, которые предназначены для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. По способу измерения информации приборы делятся на прямого действия (амперметр, термометр) и сравнения (весы, потенциометр), а по способу образования показаний — на показывающие и регистрирующие. Приборы существуют как в аналоговом, так и в цифровом исполнениях.

3. Измерительные преобразователи предназначены для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения. Как правило, эта информация не поддается непосредственному восприятию наблюдателем. преобразователь, стоящий первым в измерительной цепи, обычно называется первичным (термопара, сужающее устройство). Если первичный преобразователь имеет конструктивную самостоятельность и нормированную функцию преoбразования, то его называют датчиком. Как правило, датчики преобразуют неэлектрические величины в электрические. Существует огромный класс промежуточных (вторичных) преобразователей, которые, как правило, не меняют род физической величины. Широко известны аналоговые, аналого-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые (ЦАП) преобразователи.

4. измерительные установки и системы — большой постоянно расширяющийся вид, представляет собой совокупность функционально объединенных средств измерений и вспомогательных устройств (АИС — автоматизированная измерительная система, ИИС — информационно-измерительная система, ИВК — измерительно-вычислительный комплекс).

5. Вспомогательные устройства, служащие для обеспечения операций измерений, передачи и обработки информации и т. п. (источники питания, коммутаторы, усилители, термостаты и пр.), составляют вид измерительных принадлежностей.

В последнее время в законодательной метрологии под влиянием двух процессов — сертификации продукции, с одной стороны, и испытаний с целью утверждения типа, — с другой, возникают два новых наименования видов — «модуль» и «семейство». Считается, что «модуль» может быть прибором с самостоятельными характеристиками, и «семейство модулей» может составить новое средство измерений, структура которого легко модифицируется. Таким образом, несколько расширяется вид «установки и системы». Что касается «семейства», то этот вид имеет перспективу распространения на средства измерений одного типа, имеющие единую конструктивную основу, но различающуюся по диапазону измеряемой физической величины, и составляющие некоторую гамму средств измерений, перекрывающую какой-то диапазон значений.

3. Допуски, посадки, основные отклонения, квалитеты и их обозначения. Система вала и система отверстия.

4. Система единиц физических величин СИ.

Важное условие практического использования результата измерения, т. е. экспериментального определения какой-либо физической величины, — количественное представление этой физической величины в выбранной системе единиц. Долгое время в различных странах употреблялись различные системы единиц, спонтанно возникшие чаще всего из конкретных потребностей практики.

Особые единицы имели не только различные государства, часто и в пределах одной страны использовались разные единицы; так, например, во Франции каждый феодал имел право устанавливать свои меры. В справочнике инженера Н. И. Лепина, изданном для строителей и широко распространенном в дореволюционной России, можно обнаружить определения 100 различных футов, 46 различных миль, 120 различных фунтов и т.п.

Идею построения единой системы единиц на десятичной основе впервые высказал французский астроном Мутон, живший в XVII в. Немецкий математик Гаусс предложил систему единиц: миллиметр—миллиграмм—секунда. Система эта в свое время получила достаточно большое распространение и известна ныне как «абсолютная система единиц».

Потребности в унификации систем единиц привели к тому, что в 1954 г. Генеральная конференция по мерам и весам установила шесть основных единиц (метр, килограмм, секунда, ампер, градус Кельвина и свеча) практической системы единиц для международного обращения. В то же время на конференции была сформирована комиссия по разработке Международной системы единиц. Соответствующий проект был принят Международным комитетом по мерам и весам в том же году и в I960 г. утвержден XI Генеральной конференцией по мерам и весам. Принятие Международной системы единиц, (СИ) явилось важным этапом развития мировой метрологической науки. В 1961 г. Государственный комитет стандартов, мер и измерительных приборов Совета Министров СССР утвердил ГОСТ 9867—01, названный «Международная система единиц».

Международная система единиц позволила согласовать коэффициенты пропорциональности в уравнениях, выражающих основные законы физики. Были унифицированы основные и производные единицы для всех областей пауки и техники, к которым данное конкретное исследование (теоретическое или экспериментальное) относится. Вообще она очень удобна для всех видов человеческой деятельности.

Международная система единиц (СИ) построена на шести основных единицах и двух дополнительных. Три первые основные единицы (метр, килограмм, секунда) позволяют образовать производные единицы для всех величин, имеющих чисто механическую природу, а три остальные основные единицы (ампер, градус Кельвина, свеча) дают возможность образовать производные единицы для величин, не сводимых к механическим явлениям: ампер — для электрических и магнитных величин, градус Кельвина — для тепловых величин, свеча — для величин в области фотометрии.

Угловые единицы (радиан и стерадиан) не могут быть введены в число основные, так как это вызвало бы затруднения в трактовке размерностей величин, связанных с вращением (дуги окружности, площади круга, работы пары сил и т.д.). По существу эти единицы являются производными, хотя и с той особенностью, что имеют одинаковый размер в различных системах единиц.

В табл. 2 и 3 даны перечни основных, дополнительных и производных единиц.

Определения основных и дополнительных единиц.

Метр—длина, равная 1650763,73 длин волн в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2р₁₀ и 5d₅ атома криптона 86.

В 1791 г., при установлении метрической системы мер, метр был определен как одна десятимиллионная часть четверти парижского меридиана. Такое определение метра было продиктовано стремлением обеспечить неизменность и воспроизводимость единицы длины. По данным измерений части меридиана был изготовлен эталон метра в виде платиновой концевой меры, получившей в дальнейшем название «метр Архива». Однако в 1872 г. комиссия по прототипам метрической системы приняла рекомендацию определить метр длиной этого эталона, т. е. заменить «естественный» эталон метра искусственным, условным, из-за возможных расхождений при повторных измерениях части меридиана вследствие неизбежных погрешностей и отсутствия точных данных о фигуре Земли. Позднее были изготовлены платино-иридисвые штриховые эталоны метра для раздачи странам, подписавшим метрическую конвенцию, и один из них, а именно метр № 6, длина которого оказалась равной длине метра Архива, был утвержден в качестве международного прототипа метра.

Однако ширина штрихов, устанавливающих длину метра, составляла около 10 мкм, поэтому с помощью прототипа нельзя было определить метр с погрешностью, меньшей 0,1 мкм.

5. Классификация измерений. Понятие о точности измерений.

Источник