прямые и косвенные. При прямых измерениях искомую величину устанавливают непосредственно из опытов. При косвенных – функционально от других величин, определяемых прямыми измерениями, например измерение плотности тела через его массу и объем. Ещё различают измерения абсолютные и относительные. Абсолютные – это прямые измерения в единицах измеряемой величины. Относительные – измерения, представленные отношением измеряемой величины к одноименной величине, принимаемой за исходную.
Также существует три класса измерений: особо точные, высоко точные и технические. Особо и высокоточные измерения производятся при поверке измерительных приборов и аттестации эталонов.
Точность измерений важна при оценке качества продукции, а также при проведении научных экспериментов и она всегда должна быть выше, чем допустимое отклонение параметров качества или допустимая погрешность получения экспериментальных результатов.
Поэтому каждый исследователь должен уметь правильно измерять изучаемые величины, знать закономерности измеряемых процессов, правильно оценивать погрешности при измерениях, определять наилучшие условия измерений, при которых ошибки будут наименьшими, вычислять значения величин и их необходимое минимальное количество и проводить общий анализ результатов измерений
9.2 Методы измерений Метод непосредственной оценки. Он определяет значение величины
непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия (например, измерение массы на циферблатных весах, измерение напряжения вольтметром).
Метод сравнения с мерой. При его использовании измеряемую величину сравнивают с величиной воспроизводимой меры (например, измерение массы на рычажных весах с уравновешением гирями).
Нулевой метод применяется для результирующего эффекта воздействия величины на прибор до нуля, например, измерение электрического сопротивления мостом с полным его уравновешиванием.
Дифференциальный метод основан том, что на измерительный прибор воздействует разность измеряемой и известной величины, воспроизводимой мерой, например, измерения, выполняемые при проверке мер длины сравнением с образцовой мерой на компараторах.
Метод замещения. При его использовании измеренную величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой, например взвешиванием с поочередным помещением измеряемой массы и гири одну и ту же чашку весов.
В настоящее время выпускается большое количество средств измерений и наблюдений для измерения показателей механических, физических, химических, а также структуры различных материалов и изделий и т.д.
К средствам измерений относятся измерительные приборы, меры,
установки и системы. Мера является самым простым средством измерения и предназначена она для воспроизведения физической величины заданного размера, например, гиря – мера массы.
Также выделяют средства измерения, которые позволяют непосредственно определить испытываемый показатель, например пресс для определения прочности материалов. Средства измерения, которые дают возможность косвенно судить об исследуемом показателе, например ультразвуковой твердомер, который позволяет оценить твердость материала по прохождению ультразвука в контакте между измерительным наконечником и изделием.
Измерительная установка или стенд - это особая система, состоящая из основных и вспомогательных средств измерений, предназначенных для
измерения одной или нескольких величин. Установки могут вырабатывать сигналы, удобные для автоматической обработки результатов измерений.
.
Измерительный прибор – это средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателя. Характеристиками измерительных приборов являются стабильность измерений, величина погрешности, точность и чувствительность.
Все приборы классифицируются по точности измерения, стабильности показаний, чувствительности, пределам измерения и др.
Точность измерений – это степень приближения измерения к действительному значению измеряемой величины.
Погрешность измерения – это алгебраическая разность между действительным значением и полученным при измерении. Количество минимальных измерений обеспечивает устойчивое среднее значение измеряемой величины, удовлетворяющее заданной степени точности. Погрешность является одной из важных характеристик любого прибора, используемого при проведении эксперимента. Она может быть абсолютной и относительной:
Основными погрешностями прибора называются суммарные погрешности, которые установлены при нормальных условиях.
Чтобы повысить достоверность измерений и их точность, необходимо уменьшить погрешность. Погрешности при измерениях могут возникнуть вследствие ряда причин: влияния различных внешних факторов в процессе опытов, недостаточно тщательного проведения опытов; несовершенства методов и средств измерений; субъективных особенностей экспериментатора и т.д.
Различают систематические и случайные погрешности. Систематические
– это погрешности, которые при повторных опытах остаются постоянными. При известных численных значениях погрешностей их нужно учитывать во время повторных опытов. Систематические погрешности можно разделить на пять групп:
1)влияние внешней среды: вибрация, магнитные и электрические поля, влажность и т.д.;
2)неправильная установка средств измерений;
3)инструментальные, например, из-за износа измерительного инструмента;
4)методические, которые обоснованы выбором метода измерения;
5)субъективные.
Случайные погрешности могут возникнуть при повторных измерениях. Эти погрешности нельзя учесть и исключить, но при многократно повторенных измерениях с помощью статических методов их можно выявить и исключить.
Диапазон измерения прибора – это часть диапазона показаний прибора, для которой установлены его погрешности. При известных погрешностях прибора диапазон измерений и показаний прибора совпадает.
Размахом прибора называют разность между его максимальными и минимальными показателями.
Чувствительностью называется способность отсчитывающего устройства реагировать на изменения измеряемой величины.. Порогом чувствительности прибора является наименьшее значение измеренной величины, вызывающее изменение показания прибора, которое можно зафиксировать.
Точность измерительного прибора характеризуется суммарной погрешностью.
Все приборы в зависимости от допускаемой погрешности делятся на классы. Классом точности является обобщенная характеристика, определяемая
пределами основной и дополнительных допускаемых погрешностей, влияющих на точность. Класс точности часто обозначают допускаемой погрешностью в процентах (1–2 и т.д.).
Воспроизводимость прибора, или стабильность. Это свойство отсчетного устройства прибора обеспечивает постоянство показаний одной и той же величины. Она определяется вариацией показаний.
Выходной сигнал средств измерения фиксируется отсчетными устройствами. Они могут быть цифровыми, шкальными и регистрирующими. Важной частью прибора является шкала. Длиной деления шкалы называют расстояние в миллиметрах между двумя смежными отметками на шкале.
.Все средства измерения, используемые в научных исследованиях, проходят обязательную периодическую поверку на точность. Поверка предусматривает уменьшение погрешностей прибора. Она позволяет установить соответствие данного прибора регламентированной степени точности, а также определить возможность его применения для данных измерений. При поверке средств измерения определяются погрешности и устанавливается, не выходят ли они за пределы допускаемых значений.
В России государственные метрологические институты и лаборатории по надзору за стандартами и измерительной техникой производят государственный контроль по обеспечению единства мер. Все средства измерений проверяются каждые 1–2 года.
Из вышесказанного можно сделать вывод о том, что очень важным моментом в организации научного эксперимента является выбор средств измерений. Средства измерения должны:
–максимально соответствовать тематике, цели и задачам научноисследовательской работы;
–обеспечивать при проведении экспериментальных работ высокую производительность труда;
–обеспечивать требуемое качество экспериментальных работ, то есть заданную степень точности при минимальном количестве измерений;
–обеспечивать высокую воспроизводимость и надежность, по возможности исключать систематические ошибки, при этом желательно максимально использовать средства измерений с автоматической записью;
–иметь высокую экономическую эффективность, то есть минимум затрат людских, денежных и материальных ресурсов;
–обеспечивать эргономические требования эксперимента;
–удовлетворять требованиям техники безопасности и пожарной безопасности.
Таким образом, важнейшим фактором успешного проведения научных исследований является метрологическое обеспечение. Следует отметить, что любой отчет о НИР должен содержать указание о применяемых аттестованных средствах измерения.
Вопросы для самоконтроля:
1.Что такое измерение? Его виды.
2.Что входит в понятие метрологии как науки?
3.Что может являться эталоном измеряемой величины?
4.Какова структура метрологической службы страны?
5.Перечислите виды измерений и дайте им характеристику.
6.Перечислите методы измерений и дайте им характеристику.
7.Чем отличается измерительный прибор от измерительного стенда?
8.Перечислите виды погрешностей измерения и причины их возникновения. 9, Какие основные требования предъявляются к средствам измерения?
10.Измерительные преобразователи
Человек получает информацию с помощью органов чувств, возможности которых весьма ограничены. Однако используя силу своего мышления человек изобрел огромное количество так называемых «измерительных
преобразователей» ИП) иногда называемых датчиками [ГОСТ Р51086-97], которые расширили его возможности получения информации о явлениях и процессах происходящих в природе и технических системах. Так, например, глаза человека позволяют наблюдать только очень узкую часть электромагнитного диапазона с длиной волны 0,65…0,45мкм, в то время как созданные ИП позволяют получать информацию во всем представимом диапазоне от гамма излучения до сверхдлинных электромагнитных волн с длиной волны до 10км.
ИП позволяют преобразовывать получаемую информацию в доступную для анализа исследователем форму с целью ее непосредственного анализа. Но в настоящее время получаемая информация часто используется в системах управления автоматическими устройствами, роботами и обрабатывается по специальным алгоритмам, а непосредственно человеком не воспринимается.
Преобразование информации может происходить в различную форму. Например, градусник измеряющий температуру используя явление расширения жидких тел при изменении температуры преобразует температуру непосредственно в визуальную, доступную для восприятия человеком форму.
Создано множество приборов, визуализирующих электрические параметры, вольтметры, амперметры, частотомеры и т.д. Поэтому часто ИП строятся с расчетом преобразования измеряемой величины в электрическую форму, которая потом легко может быть представлена для непосредственной регистрации. Кроме того, получаемый электрический сигнал может легко обрабатываться: усиливаться, дифференцироваться или интегрироваться, преобразовываться в цифровую форму и обратно аналого-цифровые АЦП) и цифро-аналоговые преобразователи ЦАП)_).
Это позволяет создавать устройства, возможности которых существенно превышают возможности человека. Так робот может ориентироваться в радиационной обстановке, использовать информацию в инфракрасном спектре и т.д.
Поэтому как ученый исследователь, так и проектировщик автоматической техники и робототехнических систем должен хорошо знать возможности современных ИП и уметь правильно их выбирать для конкретных случаев использования.
При исследовании природных процессов спектр ИП чрезвычайно широк. Требуется измерять как различные диапазоны электромагнитного излучения, параметры электрических величин напряжения, токи, сопротивления, емкости индуктивности и т.д.), акустические колебания, тепловые процессы,